Photo de ID23-1, l'une des lignes de biologie structurale de l'ESRF où les expériences ont été réalisées. Crédit :ESRF/P. Jayet
L'activité enzymatique est déterminée par la structure d'une région particulière d'une protéine appelée site actif. La génération de sites actifs complètement nouveaux capables de catalyse enzymatique est, discutablement, l'un des problèmes non résolus les plus fondamentaux de la biologie moléculaire.
Des approches de conception rationnelles et modernes de ce problème ont été développées à l'aide de méthodes de calcul complexes, mais sans résultats concluants. En effet, Les études d'ingénierie des protéines suggèrent souvent que l'émergence de sites actifs enzymatiques complètement nouveaux est hautement improbable.
Il y a de nombreuses années, Roy Jensen (actuellement au centre médical de l'Université du Kansas) a proposé que les enzymes primordiales soient capables de catalyser une diversité de réactions. Sur la base de ce travail, une collaboration multi-institutionnelle de scientifiques a exploré et testé ces notions en utilisant des β-lactamases précambriennes ressuscitées comme échafaudages pour l'ingénierie de sites actifs complètement nouveaux. Les β-lactamases précambriennes sont des protéines vieilles d'environ 3 milliards d'années. Essentiellement, les scientifiques ont redonné vie à ces anciennes protéines afin qu'elles puissent être étudiées pour mieux comprendre comment la complexité des espèces survient.
Comment ressusciter des protéines ancestrales ? Les protéines sont fabriquées à partir de diverses combinaisons de blocs de construction d'acides aminés, avec une variété presque infinie de complexité et de fonction. Les chercheurs ont compilé de grandes bases de données de séquences de protéines. En comparant les séquences d'aujourd'hui entre elles dans un cadre évolutif, les scientifiques peuvent raisonnablement déduire la séquence d'une protéine ancestrale à partir de laquelle les versions modernes sont descendues en utilisant des modèles d'évolution de séquence.
« Les propriétés de ces protéines ancestrales (β-lactamases précambriennes) confèrent une stabilité structurelle élevée et une activité enzymatique promiscuité, ce qui signifie qu'ils sont capables de réagir avec une variété de substances. Ces propriétés soutiennent le potentiel biotechnologique de la résurrection des protéines précambriennes, car une stabilité élevée et une promiscuité accrue sont des caractéristiques souhaitables dans les échafaudages protéiques pour l'évolution dirigée en laboratoire et la conception moléculaire, " explique la première auteure Valeria A. Risso de l'Université de Grenade.
Les structures 3-D des β-lactamases ancestrales et modernes, coloré par le RMSF calculé. Crédit :José Manuel Sanchez-Ruiz et Valeria A.Risso
En utilisant ces protéines précambriennes ressuscitées, l'équipe a démontré qu'un nouveau site actif peut être généré par un seul remplacement d'acide aminé hydrophobe à ionisable qui génère un groupe partiellement enterré avec des propriétés physico-chimiques perturbées. "Nous avons trouvé qu'un design minimaliste pour introduire une activité de novo (catalyse de l'élimination de Kemp, une référence commune dans la conception d'enzymes de novo) échoue lorsqu'il est effectué sur des β-lactamases modernes, mais est très efficace lors de l'utilisation des échafaudages de β-lactamases précambriennes hyperstables/promesses, " déclare Eric A. Gaucher de l'Institut de Bioingénierie et Biosciences, Institut de technologie de la Géorgie.
Pour leur expérience, l'équipe a utilisé trois lignes de biologie structurale à l'ESRF, le Synchrotron Européen de Grenoble (France) :ID29, ID23-1, et la ligne de lumière " sans intervention " entièrement automatisée MASSIF-1, ainsi que la ligne de lumière Xaloc à Alba, le synchrotron espagnol. « Les informations structurelles tridimensionnelles issues des données obtenues à l'ESRF ont été essentielles pour l'interprétation de l'ouvrage, car elle a conduit à une structure à haute résolution du nouveau site actif et a fourni des preuves concluantes du rôle de la réorganisation des protéines dans l'émergence de la nouvelle fonction, " explique José A. Gavira, auteur correspondant, de l'Université de Grenade.
Cette étude confirme le potentiel de la reconstruction ancestrale comme outil d'ingénierie des protéines. « Nous fournissons des preuves expérimentales et informatiques que les enzymes ancestrales ressuscitées en laboratoire constitueront de bien meilleurs échafaudages pour l'ingénierie de nouvelles fonctions en raison de leur grande stabilité et de leurs caractéristiques dynamiques, " dit José M. Sanchez-Ruiz.
La combinaison innovante de la bioinformatique, biologie computationnelle, la biologie structurale et la biophysique ont permis aux chercheurs d'approfondir le temps évolutif, et changer le cours du potentiel évolutif d'une enzyme. "En savoir plus sur la vie primordiale, et comment il peut être manipulé, ouvrira de nombreuses nouvelles voies pour la science et mettra en lumière l'énigme de l'évolution des systèmes biologiques complexes au niveau moléculaire le plus fondamental, " dit l'auteur correspondant Lynn Kamerlin du Département de biologie cellulaire et moléculaire, Université d'Uppsala. Cette étude a été publiée dans Communication Nature .
