Une équipe de recherche en biologie synthétique dirigée par Northwestern a combiné des technologies pour développer une nouvelle technique biotechnologique qui promet d'accélérer la recherche sur les thérapies protéiques qui pourraient un jour devenir la prochaine défense contre les supergermes résistants aux antibiotiques ou le prochain nouveau médicament.
Tout a commencé lorsque Milan Mrksich, le professeur Henry Wade Rogers de génie biomédical, chimie, et biologie cellulaire et moléculaire, et collègue Michael Jewett, le professeur Charles Deering McCormick d'excellence en enseignement et professeur agrégé de génie chimique et biologique, décidé de comparer les notes et de combiner les forces.
La paire, qui dirigent le Centre de biologie synthétique de Northwestern, où Mrksich est le réalisateur et Jewett est le co-réalisateur, se demandaient ce qu'ils pourraient accomplir s'ils combinaient la technologie de spectrométrie de masse du laboratoire Mrksich avec l'expertise du laboratoire Jewett en matière de glycosylation et de fabrication rapide de protéines.
Glycosylation, qui est l'attachement des sucres aux protéines, joue un rôle essentiel dans la façon dont les protéines se forment et fonctionnent dans les cellules et comment les cellules interagissent avec d'autres cellules. Il est également important dans l'étude des maladies et des biotechnologies.
Leurs idées ont commencé à se cristalliser lorsqu'ils ont mis en commun l'expertise en ingénierie de la glycosylation de leur proche collaborateur Matt DeLisa, le professeur d'ingénierie William L. Lewis à la Robert Fredrick Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering de l'Université Cornell.
Ensemble, ils ont développé une nouvelle plate-forme pour caractériser et optimiser les séquences de fabrication de glycoprotéines à l'aide de la synthèse de protéines acellulaires et de la spectrométrie de masse.
L'avancée qui en résulte est décrite dans "Conception de sites de glycosylation par synthèse rapide et analyse des glycosyltransférases, " publié le 7 mai par la revue Nature Chimie Biologie . Mrksich et Jewett sont les auteurs co-correspondants. Les deux co-auteurs principaux sont Weston Kightlinger, un étudiant diplômé du laboratoire de Jewett, et Liang Lin, un doctorant dans le laboratoire de Mrksich.
La nouvelle technique promet d'accélérer considérablement le temps nécessaire pour tester les composés pour de nouveaux médicaments potentiels. Aussi récent qu'il y a quelques décennies, les médicaments étaient basés sur des produits naturels qui étaient fastidieusement isolés et caractérisés à partir de plantes et d'autres sources naturelles.
Mais une fois que les chimistes ont appris à créer des bibliothèques d'un grand nombre de molécules - qui se comptent aujourd'hui par millions - et une fois que l'ingénierie a fait de l'automatisation des laboratoires un outil, les scientifiques et les ingénieurs ont pu tester rapidement des millions de composés en quelques semaines pour identifier de bons points de départ pour le développement de médicaments.
Toujours, Mrksich a expliqué, en biologie synthétique, le temps de cycle pour tester chaque interaction enzyme-substrat peut prendre des semaines ou des mois.
« Nous avons radicalement accéléré le processus, " a déclaré Mrksich. " Là où les chercheurs peuvent aujourd'hui évaluer quelques centaines d'étiquettes de glycosylation potentielles dans une période donnée, nous avons réuni deux technologies à haut débit qui nous permettent d'en évaluer plusieurs milliers dans le même laps de temps. » Ces balises sont importantes car la glycosylation est présente dans 70 % des protéines thérapeutiques déjà approuvées ou en évaluation préclinique.
Le procédé fonctionne en combinant trois techniques des laboratoires Northwestern :
Combiné avec les connaissances en glycoingénierie du laboratoire de DeLisa, la technique combinée analyse la glycosylation rapidement et efficacement.
"Nous avons développé des puces peptidiques où nous avons une plaque de la taille de votre main qui en a environ 1, 500 régions circulaires dessus, " a déclaré Mrksich. "Chacune de ces régions a une étiquette peptidique différente, et nous pouvons appliquer la solution enzymatique uniformément sur l'ensemble du réseau et chacun des marqueurs peptidiques peut ensuite être glycosylé."
Une fois la plaque rincée, l'ensemble du réseau peut être analysé par spectrométrie de masse, qui quantifie la quantité de glycosylation de chaque peptide.
"En un jour, nous pouvons évaluer des milliers de marqueurs peptidiques distincts pour identifier ceux qui sont optimaux pour la glycosylation avec lesquels nous allons ensuite de l'avant, " a déclaré Mrksich.
Le résultat est non seulement beaucoup plus rapide, mais fournit également des données beaucoup plus détaillées. "Notre méthode nous permet non seulement de sélectionner les gagnants, que nous recherchons couramment dans les expériences scientifiques, mais les échecs aussi, " dit Jewett.
L'équipe a baptisé le processus GlycoSCORES, ou caractérisation et optimisation de séquences de glycosylation par expression et criblage rapides.
DeLisa a déclaré qu'il était ravi d'utiliser la nouvelle technologie pour répondre à un certain nombre de questions ouvertes concernant le fonctionnement des différentes enzymes de glycosylation.
"Cette technique nous permet de poser des questions beaucoup plus précises et scientifiques dans ce domaine qu'il n'aurait été possible auparavant, ", a-t-il déclaré. "Les nouvelles connaissances qui en découlent pourraient vraiment changer la donne en termes de notre capacité à concevoir des glycoprotéines avec des caractéristiques souhaitables."
