13 protéases conçues sur 69 coupent leur cible

Treize des 69 protéases conçues coupent leur cible

Treize des 69 protéases conçues de toutes pièces ont coupé la cible prévue en laboratoire. Testées aussi dans des cellules de mammifères, elles ouvrent une piste pour contrôler l’activité des protéines, mais restent moins actives que les enzymes naturelles et leur usage médical n’a pas été évalué.

La difficulté tient à la précision du geste moléculaire : il faut placer les bons groupes chimiques au bon endroit. Les chercheurs ont conçu des molécules capables de couper une liaison déterminée dans une autre protéine. Sur les 69 candidates purifiées et testées en laboratoire, 13 ont coupé la cible prévue (Nature). Dans les cellules, cette coupure permet de contrôler l’activité des protéines ; pouvoir la déclencher à la demande donnerait aux biologistes un moyen d’intervenir sur ce système.

Pourquoi cette liaison est si difficile à rompre

Une protéine est une chaîne d’acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. Celles-ci se rompent très difficilement d’elles-mêmes : dans de l’eau neutre, elles peuvent rester intactes pendant des siècles (Radzicka et Wolfenden).

Les cellules les rompent pourtant en permanence grâce à des enzymes appelées protéases. Une enzyme accélère une réaction chimique ; les protéases, elles, sont spécialisées dans la coupure d’autres protéines. Tout dépend de la position des éléments réactifs. Ils doivent se trouver à une distance et sous un angle précis de la liaison visée, puis y rester le temps nécessaire à la réaction. Un décalage d’une fraction de nanomètre peut suffire à l’empêcher.

C’est ce problème que l’équipe a voulu résoudre. Elle n’a pas inventé de nouvelle chimie : elle a repris le mécanisme des protéases naturelles à cystéine, où une histidine voisine active un acide aminé contenant du soufre, la cystéine. Les chercheurs ont ensuite tenté de construire une protéine entièrement nouvelle autour de ces éléments pour les maintenir en place (Nature).

Concevoir une structure qui maintient les bons groupes en place

L’équipe a utilisé des outils d’intelligence artificielle pour générer des formes de protéines, puis sélectionner des séquences d’acides aminés susceptibles de prendre ces formes et prédire si elles se replieraient comme prévu (étude sur ProteinMPNN). Les logiciels ont réduit un très grand nombre de possibilités à une sélection que les chercheurs pouvaient fabriquer et tester en laboratoire. Les essais ont ensuite déterminé lesquelles fonctionnaient.

L’architecture des protéines obtenues ne ressemble pas à celle des protéases naturelles (Nature). Les chercheurs ont repris leur principe chimique, mais construit une structure protéique nouvelle pour l’accueillir. Pour le vérifier, ils ont fait cristalliser plusieurs molécules conçues et en ont déterminé la structure atomique : celle-ci correspondait aux prédictions des ordinateurs.

Du tube à essai à la cellule vivante

Après avoir montré en laboratoire que les protéines conçues coupaient leurs cibles, l’équipe les a également testées dans des cellules de mammifères. Elle y a introduit les instructions génétiques de la protéase conçue et de la protéine cible, puis recherché des signes de coupure (prépublication).

Un tube à essai est un environnement favorable. Dans une cellule, les molécules sont nombreuses et concurrentes ; une protéine inconnue peut aussi mal se replier ou être détruite. Une enzyme conçue qui résiste à cet environnement et y reste active franchit donc une étape importante.

Les 13 réussites sur 69 essais doivent être rapportées au protocole suivi. Les candidates avaient déjà été filtrées par logiciel, puis purifiées et testées (Nature). Le chiffre mesure ainsi la fréquence de réussite parmi des molécules présélectionnées, ce qui renseigne sur la possibilité de répéter la démarche. La majorité a néanmoins échoué, et les protéines conçues sont moins actives que les enzymes naturelles dont elles reprennent le mécanisme (Ars Technica). Selon les chercheurs, leurs groupes réactifs ne sont pas encore positionnés avec la précision que l’évolution a produite.

Certaines maladies impliquent une protéine qui exerce une action nocive ; pouvoir la couper offrirait un moyen de l’inactiver (GeekWire). Ces expériences montrent que la chimie des protéases naturelles peut aussi fonctionner dans des structures conçues de toutes pièces. L’usage médical reste à évaluer.