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Succès pour la biologie synthétique : des protéines créées in vitro

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Sur le long chemin vers une hypothétique cellule artificielle, une étape vient d'être franchie : sur une puce à ADN, l'équivalent d'une synthèse de protéines a pu être reproduit, jusqu'à la fabrication de complexes protéiques en forme de nanotubes. De quoi imaginer de nouveaux procédés pour produire des molécules intéressantes pour la biologie ou l'industrie.

La GFP (green fluorescent protein) est souvent utilisée en recherche médicale. Cette image représente une coupe de cortex de souris dont les cellules ont été marquées par cette protéine fluorescente. La GFP provient de la méduse Aeqoria victoria. © Robert Cudmore, Wikimedia Commons, cc by sa 2.0

La biologie de synthèse est une science émergente qui vise à fabriquer des êtres vivants et des fonctions biologiques artificielles. Son développement pourrait apporter des thérapies plus efficaces contre certaines maladies. Un exemple parmi ses succès est la synthèse d'un puissant médicament antimalaria, l'artémisinine.

Dans une étude récente publiée dans Nature Nanotechnology, une équipe de chercheurs de l'institut Weizmann (Israël) a créé un système de fabrication de complexes protéiques in vitro. Cette étape prometteuse est un pas de plus vers le design de « machines biologiques » synthétiques.

Leur système biologique artificiel est composé des molécules de base de la cellule : ADN, ARN et protéines (dont les ribosomes). En théorie, ce système possède tous les ingrédients nécessaires à la synthèse de nouvelles protéines : l'ADN devrait être transcrit en ARN, lequel devrait ensuite être traduit en protéines. Afin de suivre l'évolution de leur système artificiel, les auteurs ont utilisé un ADN contenant le code de fabrication d'une protéine fluorescente appelée GFP (green fluorescent protein). Ainsi, au final, la protéine fabriquée sera fluorescente et donc facilement repérable par microscopie à fluorescence.

Les auteurs ont créé un système de production de complexes protéiques. Pour se faire, ils ont tout d'abord attaché de l'ADN à une puce à ADN (champ en rouge à gauche). Deux types d'ADN sont utilisés : l'un code pour une protéine fluorescente verte (GFP, cylindres verts) et l'autre pour une protéine fluorescente rouge (mCherry, cylindres violets). Les protéines sont synthétisées in vitro (grâce aux ribosomes symbolisés en jaune) et s'accrochent sur des anticorps spécifiques (en forme de Y) qui ont préalablement été attachés sur les autres régions de la puce. © Yael Heyman et al., Nature Nanotechnology

Une puce à ADN en verre de huit nanomètres d'épaisseur a été utilisée pour cette étude. Cette puce est constituée de deux régions distinctes. La première est irradiée par des rayons ultraviolets d'une longueur d'onde de 365 nm, ce qui facilite la fixation de l'ADN. Sur l'autre région, les chercheurs ont attaché des anticorps réagissant contre la GFP. Si le système fonctionne, l'ADN doit permettre la production de la GFP, qui devrait à son tour interagir avec les anticorps anti-GFP présents sur l'autre région de la puce. La fabrication de ce système artificiel a été un succès : la région où étaient fixés les anticorps est devenue fluorescente !

Vers la fabrication d'une cellule synthétique ?

Afin de construire un système protéique plus élaboré, les scientifiques ont ensuite utilisé un ADN codant pour la production d'une protéine virale appelée GP18. Cette protéine est capable de former des structures en nanotubes in vitro. Les résultats sont sans appel : les auteurs observent la formation de nanotubes en microscopie. Ainsi, en plus d'être synthétisées in vitro, les protéines se sont associées pour former des structures secondaires, en l'occurrence les nanotubes. Pour finir, les auteurs ont fabriqué un système encore plus complexe leur permettant de créer et d'attraper plusieurs protéines en même temps. Pour ce faire, ils ont utilisé deux types d'ADN différents : l'un codant pour la production de la GFP, et l'autre pour la production d'une protéine fluorescente rouge appelée mCherry. Cette fois, les auteurs ont observé deux zones de fluorescence, une rouge et une verte.

La biologie synthétique est une science prometteuse dans de nombreux domaines comme la production de médicaments et de biocarburants. Elle doit cependant relever des défis scientifiques majeurs, notamment pour la compréhension des principes de fonctionnement des systèmes biologiques. Cette nouvelle étude est un pas de plus vers le décryptage des mécanismes biologiques.