xénoprotéines_2018

Des chimistes du MIT ont mis au point un moyen de synthétiser et de filtrer rapidement des millions de nouvelles protéines qui pourraient être utilisées comme médicaments contre le virus Ebola et d’autres virus. Cette technologie pourrait mener au développement de nouveaux médicaments «xéno-protéiques» (ou protéines étrangères) contre plusieurs maladies infectieuses.

Toutes les protéines produites par les cellules vivantes sont fabriquées à partir des 20 acides aminés programmés par le code génétique. L’équipe du MIT a mis au point un moyen d’assembler des protéines à partir d’acides aminés non utilisés dans la nature, dont plusieurs sont des « images-miroir » d’acides aminés naturels – ce qui signifie qu’ils ont une forme inverse des acides aminés naturels.

Ces protéines, que les chercheurs appellent «xéno-protéines», offrent de nombreux avantages par rapport aux protéines naturelles. Elles sont plus stables, ce qui signifie que, contrairement à la plupart des médicaments protéinés, ils ne nécessitent pas de réfrigération et ne provoquent pas de réponse immunitaire.

« Il n’y a pas d’autre plate-forme technologique qui puisse être utilisée pour créer ces xéno-protéines, car les gens n’ont pas réussi à utiliser des ensembles d’acides aminés totalement naturels sur l’entièreté des molécules existantes », explique Brad Pentelute, professeur agrégé au MI. Zachary Gates, postdoctorat du MIT, et Timothy Jamison, chef du département de chimie du MIT, et des membres de son laboratoire ont également contribué à cet article.

Protéines non naturelles

Pentelute et Jamison ont lancé ce projet il y a quatre ans, en collaboration avec l’Agence de recherche avancée pour la défense (DARPA), qui leur a demandé de créer des molécules qui imitent les protéines naturelles mais qui sont fabriquées à partir d’acides aminés non naturels.

«La mission était de générer des plateformes qui permettraient de fabriquer chimiquement de grandes réserves de molécules qui n’existent pas dans la nature, puis de filtrer cette réserve de molécules, pour trouvé celle qui fonctionnerait selon ce que vous souhaitez», explique Pentelute.

Pour ce projet, l’équipe de recherche s’est appuyée sur la technologie que le laboratoire de Pentelute avait précédemment développée pour synthétiser rapidement des chaînes de protéines. Son appareil peut effectuer toutes les réactions chimiques nécessaires pour enchaîner les acides aminés, synthétisant les protéines désirées en quelques minutes.

En tant que blocs de construction pour leurs xéno-protéines, les chercheurs ont utilisé 16 acides aminés « image-miroir », ce qui signifie que les acides aminés peuvent exister dans deux configurations différentes, connues sous le nom de L et D. Les versions L et D d’un acide aminé particulier ont la même composition chimique mais sont des images spéculaires l’une de l’autre. Les cellules n’utilisent que des aminoacides L. alors la version D peut parfois être toxique ou tout simplement expulsée par le corps.

Les chercheurs ont ensuite utilisé la chimie de synthèse pour assembler des dizaines de millions de protéines; chacune d’une longueur d’environ 30 acides aminés, toutes en configuration D. Ces protéines ont toutes une structure repliée similaire qui est basée sur la forme d’une protéine naturelle connue comme inhibitrice de la trypsine.

Une première en science xéno-protéique

Avant cette étude, aucun groupe de recherche n’avait été capable de créer autant de protéines faites uniquement d’acides aminés non naturels. «Des efforts considérables ont été consacrés au développement de méthodes pour l’incorporation d’acides aminés non naturels dans les molécules protéiques, mais celles-ci sont généralement limitées quant aux nombre d’acides aminés non naturels pouvant être incorporées simultanément dans une molécule protéique».

Après avoir synthétisé les xéno-protéines, les chercheurs les ont analysé pour identifier les protéines qui se lieraient à un anticorps IgG contre une protéine de surface du virus de la grippe. Les anticorps ont été marqués avec une molécule fluorescente et mélangés avec les xéno-protéines. En utilisant un système appelé « tri cellulaire activé par fluorescence », les chercheurs ont pu isoler les xéno-protéines qui se liaient à la molécule IgG fluorescente.

Cette méthode, qui peut être réalisée en seulement quelques heures, a révélé plusieurs xéno-protéines qui se liaient à la cible. Dans d’autres expériences, non publiées dans le document PNAS, les chercheurs ont également identifié des xéno-protéines qui se liaient à la toxine de l’anthrax et à une glycoprotéine produite par le virus Ebola. Ce travail est réalisé en collaboration avec John Dye, Spencer Stonier et Christopher Cote de l’Institut de recherche médicale de l’armée américaine sur les maladies infectieuses.

«C’est une première étape extrêmement importante dans la recherche d’un excellent moyen de filtrer rapidement des protéines d’image-miroir complexes», explique Stephen Kent, professeur de chimie à l’Université de Chicago, qui n’a pas participé à la recherche. « Le fait de pouvoir utiliser la chimie pour constituer une réserve de protéines d’image-miroir, avec une grande stabilité et spécificité pour une cible donnée, présente manifestement un intérêt potentiellement thérapeutique. »

Construire à la demande

Les chercheurs travaillent maintenant sur la synthèse de protéines modélisées sur différentes formes de matrices, et ils sont à la recherche de xéno-protéines qui se lieraient à d’autres cibles médicamenteuses. Leur objectif à long terme est d’utiliser ce système pour synthétiser rapidement et identifier les protéines qui pourraient être utilisées pour neutraliser tout type de maladie infectieuse émergente.

« L’objectif est que nous puissions découvrir rapidement des molécules grâce à cette plateforme, afin que nous puissions les fabriquer chimiquement à la demande, et après les avoir fabriqués, qu’elles puissent être expédiées partout sur la planète sans réfrigération, pour une utilisation sur le terrain », explique Pentelute. En plus de pouvoir potentiellement créer des médicaments, les chercheurs espèrent également développer des «xéno-enzymes» – des xéno-protéines qui peuvent agir comme des enzymes pour catalyser de nouveaux types de réactions chimiques.

Cette recherche a été financée par la DARPA et une bourse post-doctorale par STAR de Novo Nordisk.