Un cheval de Troie pour les acides aminés artificiels

La vie utilise 20 éléments constitutifs d'acides aminés, à partir desquels les protéines sont assemblées. Bien que le fait de limiter le nombre de ces éléments à 20 permette d'obtenir une grande variété de structures et de fonctions protéiques, il fixe également des limites chimiques claires. En laboratoire, cependant, les chimistes peuvent théoriquement synthétiser des milliers d'acides aminés artificiels, dont beaucoup ont des propriétés totalement nouvelles.

Ces éléments artificiels peuvent être incorporés de manière ciblée dans les protéines des cellules vivantes à l'aide de méthodes biotechnologiques. "Les protéines contenant des acides aminés non naturels spécifiquement insérés ouvrent de nombreuses possibilités nouvelles, tant pour les applications médicales et industrielles que pour la recherche scientifique", explique Kathrin Lang, professeur de biologie chimique à l'ETH Zurich.

Nouvelles thérapies et enzymes puissantes

Les acides aminés artificiels ouvrent de nouvelles possibilités dans tous les domaines d'application des protéines. Grâce à des groupes chimiques supplémentaires, les protéines thérapeutiques peuvent fonctionner de manière plus efficace et plus ciblée. Les composants fluorescents ou les molécules contenant des atomes tels que le chlore ou le fluor, qui ne sont normalement pas présents dans les protéines, peuvent améliorer les techniques d'imagerie en médecine et en recherche. Des enzymes dotées de nouvelles capacités catalytiques deviennent possibles, et des acides aminés de réticulation spécifiques peuvent être utilisés pour fabriquer des protéines qui fonctionnent efficacement même dans des conditions externes extrêmes telles que la chaleur ou la pression. En outre, des groupes de couplage spéciaux permettent d'attacher des substances actives à des protéines porteuses pour un transport fiable des médicaments vers les tissus malades.

Détourner un système de transport bactérien

Jusqu'à présent, l'insertion ciblée d'acides aminés synthétiques dans les protéines était nettement moins efficace que la production de protéines ne comprenant que les 20 acides aminés naturels. Les applications ont donc généralement été limitées à des projets de recherche à petite échelle. Le fait que seules de très petites quantités d'acides aminés non naturels pénètrent dans les bactéries utilisées pour la production biotechnologique constitue un obstacle important.

Le groupe de Lang a mis au point une solution qui permet d'introduire efficacement des acides aminés artificiels dans les bactéries. Cela signifie que la "boîte à outils des acides aminés" peut être élargie de manière réalisable pour une utilisation à grande échelle en médecine et dans l'industrie biotechnologique. Pour ce faire, les chercheurs ont détourné un système de transport naturel de la bactérie E. coli. Ce système sert normalement à transporter de courts fragments de protéines, appelés peptides, dans la cellule à partir de la zone environnante.

Le système de transport est constitué de deux unités : un canal dans la membrane cellulaire et une navette. L'unité navette reconnaît les peptides d'une longueur de trois ou quatre acides aminés et les transmet au canal, qui les achemine ensuite vers l'intérieur de la cellule. Une fois à l'intérieur de la cellule, les peptides sont décomposés en leurs différents acides aminés. Ceux-ci sont ensuite mis à la disposition de la machinerie cellulaire pour synthétiser de nouvelles protéines. Comme le système doit fonctionner pour toutes les combinaisons d'acides aminés naturels, il n'est pas particulièrement exigeant. Les peptides contenant des acides aminés artificiels sont également acheminés, mais souvent en petites quantités, voire pas du tout.

Une approche évolutive de la liaison spécifique

Les biochimistes de l'ETH ont eu recours à deux astuces pour permettre au système de transport d'importer également des acides aminés non naturels en grandes quantités. Tout d'abord, ils ont emballé ces acides aminés dans de courts peptides synthétiques, dans lesquels ils étaient entourés de blocs de construction naturels. Le transporteur laisse facilement passer cette "cargaison", tel un cheval de Troie moléculaire.

Dans un deuxième temps, les chercheurs ont apporté des modifications ciblées au composant de la navette. Pour ce faire, ils ont déterminé la structure moléculaire du site de liaison des peptides dans la navette. Ils ont ensuite modifié progressivement et systématiquement cette zone au cours d'expériences jusqu'à ce que le site de liaison soit adapté à un peptide spécifique avec des acides aminés artificiels.

Pour adapter le site de cette manière, les chercheurs ont utilisé des méthodes qui imitent l'évolution biologique à grande vitesse. Cette approche peut désormais être utilisée pour adapter le système de transport à un large éventail de peptides contenant des acides aminés non naturels. Par exemple, l'équipe a même pu introduire des acides aminés volumineux ou chargés négativement qui ne pouvaient pas être importés dans les cellules auparavant.

"Les acides aminés non naturels sont désormais disponibles en grandes quantités dans les cellules E. coli, la bactérie la plus couramment utilisée en biotechnologie. Cela permet d'incorporer efficacement divers éléments de construction artificiels dans les protéines à l'aide de méthodes d'expansion du code génétique", explique Tarun Iype, doctorant dans le groupe de Lang et l'un des principaux auteurs de l'étude.

"Dans de nombreux cas, il est donc possible de produire des protéines de conception contenant des acides aminés non naturels aussi efficacement que leurs homologues naturels", ajoute Maximilian Fottner, scientifique principal dans le groupe de Lang, qui est également l'un des principaux auteurs de l'étude. L'ETH Zurich a déposé une demande de brevet pour cette nouvelle méthode.

Extension du système à d'autres molécules synthétiques

Cette méthode fonctionne actuellement sur la bactérie E. coli. "Nous travaillons également à la conception d'un système comparable dans les cellules humaines", explique M. Lang. "Ce système pourrait être utilisé pour produire des protéines semblables à celles de l'homme, dont les propriétés les rendraient plus adaptées à un large éventail d'applications thérapeutiques."

Les projets des biochimistes de l'ETH vont toutefois au-delà des acides aminés, comme l'explique Lang : "Nous voulons développer le système de manière à ce qu'il puisse également importer d'autres molécules qui, auparavant, ne pouvaient pas pénétrer dans les cellules." Ces molécules importées pourraient alors servir de matériaux de base pour la production biotechnologique efficace de composés chimiques complexes dont la synthèse est actuellement inefficace ou impossible.