Une avancée majeure dans la conception d'enzymes sur mesure

Les enzymes sont des catalyseurs biologiques qui accélèrent les réactions et les mènent à bien avec un haut degré de spécificité. Les enzymes sont généralement des protéines. Au fil du temps, l’évolution a donné naissance à une grande variété de repliements protéiques pour les enzymes : lorsqu’une protéine se forme, une longue chaîne d’acides aminés est d’abord produite, puis se replie en une structure tridimensionnelle définie. C’est précisément cette structure qui détermine le fonctionnement de l’enzyme. Le repliement dit « en tonneau TIM » joue un rôle prépondérant. On le retrouve dans environ 10 % de toutes les enzymes connues et il est capable de faciliter presque tous les types de réactions.

Bien que des « barils TIM » artificiels aient déjà été conçus par simulation informatique et validés expérimentalement, ces protéines dites « de novo », contrairement à leurs homologues naturelles, ne possédaient aucune activité enzymatique ; elles se contentaient de présenter la même structure. Cela rendait ces protéines inutilisables pour des applications dans des réactions biologiques. Une équipe de recherche dirigée par le Prof. Dr Birte Höcker, titulaire de la chaire de biochimie III à l’université de Bayreuth, s’est attaquée à ce problème en collaboration avec le groupe de recherche du Prof. Dr Roberto Chica à l’université d’Ottawa. À l’aide d’un nouveau processus appelé CANVAS, les chercheurs ont transformé ces structures de base non fonctionnelles en enzymes actives.

« Dans notre étude, nous avons combiné diverses méthodes informatiques. Cela nous a permis d’étendre de manière spécifique les barils TIM artificiels afin d’y inclure un site actif sur mesure », explique le Dr Julian Beck, auteur principal de l’étude et assistant de recherche au sein du groupe de recherche de biochimie III de l’université de Bayreuth. Ce site actif nouvellement inséré confère une activité mesurable exceptionnellement élevée à ces enzymes auparavant non fonctionnelles.

« Nous avons choisi l’élimination de Kemp comme réaction test pour les nouvelles enzymes – une réaction classique non naturelle en conception de protéines, facile à mesurer », explique Höcker. En un seul cycle de conception, les chercheurs ont obtenu une activité exceptionnellement élevée avec l’enzyme de synthèse KempTIM1 : L’efficacité catalytique – qui décrit la « qualité » d’une enzyme – était déjà sept fois supérieure pour KempTIM1 par rapport à des enzymes comparables présentées dans d’autres publications récentes, et ce sans aucune optimisation expérimentale supplémentaire. Des étapes d’optimisation ultérieures ont permis d’obtenir une nouvelle variante appelée KempTIM4b, dont l’activité dépasse même celle de KempTIM1.

« Dans l’ensemble, nos recherches montrent qu’il est possible d’utiliser des protéines de novo comme point de départ pour de nouvelles enzymes, élargissant ainsi le répertoire existant d’enzymes disponibles. Cela ouvre de nouvelles perspectives en biotechnologie et en chimie verte en permettant la conception de nouvelles protéines sur mesure pour des réactions spécifiques », a déclaré Beck.