Protéines membranaires intégrales, ou IMPs, sont une classe majeure de protéines qui jouent un rôle crucial dans de nombreux processus cellulaires, y compris la catalyse des ponts disulfures, qui sont essentiels pour la fonction et la stabilité de nombreuses protéines telles que les anticorps, qui ont un potentiel thérapeutique important.

Mais les IMP sont intrinsèquement hydrophobes et ont donc une faible solubilité dans les environnements aqueux. Leur environnement naturel est à l'intérieur de la membrane bicouche lipidique d'une cellule, ce qui rend difficile l'étude de leur structure et de leur fonction.

Une méthode précédemment rapportée impliquant des techniques d'ADN recombinant standard et de nouveaux principes de conception a permis à une équipe d'ingénieurs chimistes de Cornell de fabriquer de grandes quantités d'IMP fonctionnels de manière simple et peu coûteuse - le tout sans utiliser de produits chimiques ou de détergents agressifs, qui sont généralement utilisés aujourd'hui. Cette équipe, dirigé par Matt DeLisa, le professeur d'ingénierie William L. Lewis à la Robert Frederick Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering, a maintenant utilisé cette méthode d'ingénierie des protéines pour convertir une enzyme liée à la membrane en un biocatalyseur soluble dans l'eau qui fonctionne directement dans la cellule interne aqueuse.

"Vous pouvez reconcevoir ces protéines délicates, les rendant hydrosolubles, et peut-être vraiment surprenant, ils peuvent continuer à catalyser leurs réactions biologiques naturelles, " dit DeLisa, chercheur principal pour "A water-soluble DsbB variant that catalyses disulfide-bond formation in vivo, " publié le 19 juin dans Nature Chimie Biologie .

"A notre connaissance, c'est le premier exemple de création d'un IMP hydrosoluble qui conserve son activité catalytique naturelle mais le fait dans un environnement cellulaire entièrement nouveau, " a déclaré DeLisa. "Et parce que c'est une construction génétiquement modifiée, elle peut être exprimée comme n'importe quelle autre protéine soluble avec très peu d'effort ou de difficulté."

Le premier auteur est Dario Mizrachi, ancien associé postdoctoral en génie chimique et biomoléculaire qui est maintenant professeur adjoint à l'Université Brigham Young. Les collaborateurs comprenaient Michael-Paul Robinson, doctorant en génie chimique et biomoléculaire, et Mehmet Berkmen de New England Biolabs.

Les travaux précédents du groupe ont détaillé une méthode qu'ils ont appelée SIMPLEx (Solubilization of Integral Membrane Proteins with High Levels of Expression), pour protéger les IMP de l'eau et permettre la production de grandes quantités de ces protéines difficiles à fabriquer. En utilisant les techniques de l'ADN recombinant, ils ont cousu ensemble une protéine membranaire artificielle avec une crise d'identité - une qui maintient sa fonction biologique, mais pense qu'il est soluble dans l'eau.

Ce dernier ouvrage est la première application de cette technique. Le groupe a utilisé ses IMP à identité commutée pour créer des liaisons disulfure, un type de modification post-traductionnelle qui se produit dans de nombreuses protéines et influence presque tous les aspects de la biologie cellulaire et de la pathogenèse normales.

Le groupe a ciblé l'enzyme membranaire intégrale bactérienne DsbB, un biocatalyseur central dans la formation de liaisons disulfure, bien que DeLisa pense que la technique est transférable à une myriade d'autres protéines membranaires.

En utilisant la méthode SIMPlex, le groupe a converti le DsbB lié à la membrane en un biocatalyseur hydrosoluble qui pourrait être facilement exprimé dans le cytoplasme d'E. coli, où il a engendré la formation de liaisons disulfure dans une gamme de cibles protéiques.

Les liaisons disulfure sont des acteurs clés dans de nombreuses protéines thérapeutiques, tels que les anticorps monoclonaux. De nombreux médicaments anticancéreux utilisent ces molécules, qui peut imiter ou renforcer l'attaque du système immunitaire contre les cellules tumorales.

La capacité de retirer le catalyseur de la membrane lipidique et de le mettre dans le cytoplasme, DeLisa a dit, permet aux scientifiques de fabriquer ces anticorps dans des emplacements potentiellement plus favorables dans la cellule.

"Nous pourrions créer cette voie dans le cytoplasme… [ou] nous pourrions tout déplacer vers un compartiment subcellulaire différent comme le périplasme, ou potentiellement retirer la totalité de la voie de la cellule et la reconstituer dans un système acellulaire, " dit DeLisa. " Le fait est que, nous créons une énorme flexibilité en termes de création de ces liaisons en transformant essentiellement une protéine membranaire en une enzyme soluble."