Des scientifiques de l'Université technologique de Nanyang, Singapour (NTU Singapour) ont identifié comment une classe spéciale d'enzymes d'origine végétale, connues sous le nom de peptides ligases, travailler pour joindre les protéines ensemble. Une telle liaison est un processus important dans le développement de médicaments, par exemple en fixant spécifiquement un médicament de chimiothérapie à un anticorps qui reconnaît les marqueurs tumoraux pour cibler les cellules cancéreuses.

Plus généralement, les peptides ligases sont un outil utile dans les applications biotechnologiques et biomédicales telles que le marquage des protéines, l'imagerie et le suivi des protéines dans le corps.

Les scientifiques de NTU Singapore ont montré que le secret de la propriété de « superglue » d'une peptide ligase réside dans deux régions spécifiques de l'enzyme qui lui donnent la capacité de se fixer à d'autres molécules, et de modifier la vitesse à laquelle il fonctionne.

L'équipe NTU dirigée par le professeur agrégé Julien Lescar et le professeur James Tam de la NTU School of Biological Sciences ont utilisé leurs nouvelles connaissances pour développer une nouvelle peptide ligase créée en laboratoire sur la base des informations génétiques du violet de Chine ( Viola yedoensis ), une plante médicinale aux propriétés antibiotiques et anti-inflammatoires.

La peptide ligase créée artificiellement, également connu sous le nom de peptide ligase recombinante, peut aider au développement de médicaments fabriqués à partir de composants prélevés sur des organismes vivants, en surmontant les limitations des méthodes actuelles, tels que des sous-produits ou des molécules toxiques qui peuvent altérer la fonction et l'efficacité d'un médicament.

Les résultats ont été publiés en avril dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ).

Professeur agrégé Julien Lescar, qui est également basé au NTU Institute of Structural Biology (NISB), mentionné, "Nous avons utilisé ce que nous avons appris dans la nature pour concevoir une enzyme recombinante en laboratoire. Elle se fixe à une protéine spécifique, qui se joint alors à une autre protéine ou molécule spécifique. Cette nouvelle façon de faire les choses pourrait sous-tendre de meilleurs tests de diagnostic ou des médicaments anticancéreux. »

Actuellement, pendant le développement du médicament, les molécules de protéines sont cousues ensemble chimiquement. Bien que cela soit efficace, le processus laisse des sous-produits qui peuvent altérer la fonction du produit final.

Les ligases peptidiques d'origine végétale se sont avérées être une « super colle » protéique plus fiable que les ligases dérivées de bactéries, ou l'utilisation de produits chimiques pour lier les protéines entre elles. Assoc Prof Lescar a noté que les enzymes extraites de plantes peuvent transporter des traces de contaminants qui pourraient à leur tour déclencher des allergies, et la disponibilité de l'enzyme dépend d'une croissance et d'une récolte réussies. En revanche, la nouvelle enzyme recombinante développée par NTU peut être produite en laboratoire en grandes quantités sans aucun sous-produit.

Professeur James Tam, qui est aussi dans le NISB, mentionné, « En termes très simples, notre travail pour créer ces ligases fournit une plate-forme améliorée pour la biofabrication de précision de médicaments, diagnostic et biomatériaux.

Prendre une feuille du livre de la nature

L'équipe du NTU a étudié l'information génétique des enzymes extraites de la violette de Chine ( Viola yedoensis ) et la violette du Canada ( Viola canadensis ). Au lieu de tester l'efficacité de ces enzymes extraites, les scientifiques ont conçu cinq échantillons d'enzymes recombinantes en insérant les gènes des enzymes dans une culture de cellules d'insectes. Sur les cinq échantillons, trois sont des peptides ligases. Les deux autres sont des protéases, qui sont des enzymes qui clivent les molécules de protéines en chaînes peptidiques plus petites.

Les scientifiques ont découvert que l'un des échantillons de peptide ligase recombinante, VyPAL2, possède des propriétés liantes exceptionnelles, et est 3, 000 fois plus efficace que trois autres types de ligases connus.

Grâce à une analyse structurelle de VyPAL2, l'équipe NTU a ensuite réduit les "centres de contrôle" de sa propriété de superglue à deux régions spécifiques, qu'ils ont appelé LAD1 et LAD2. LAD1 affecte le taux d'activité enzymatique, while LAD2 determines whether the enzyme exhibits ligase or protease activity.

Turning proteases into peptide ligases

Another discovery stemming from the knowledge of the peptide ligase's molecular mechanism is a method to convert it from being a cutter (a protease) into a joiner (peptide ligase). This can be done by introducing mutations into the LAD1 and LAD2 regions of a protease.

Knowing this conversion process opens up possibilities for identifying novel interesting peptide ligases by simply trawling through protein sequence databases, said Assoc Prof Lescar.

"When you have tens of thousands of proteases, and only a few known peptide ligases, trawling through the sequence databases with the LAD1 and LAD2 regions as the search criteria could lead to the discovery of more proteases that can be converted into peptide ligases. It's like a fishing expedition, but at least now we know where to fish."

Future applications

The team recently received funding from NTUitive, NTU's innovation and enterprise company, and is now working to develop the recombinant enzyme into a product. The product will be eventually sold at Epitoire, a start-up founded by Assoc Prof Lescar. The start-up sells DNA, RNA and protein reagents for academics and researchers who wish to do protein modification.

The team is also partnering both local and overseas medical schools and health institutions to use this recombinant enzyme in diagnostic imaging, such as brain tumor imaging during a surgery.

A patent has been filed for the creation of the recombinant enzyme, as well as the mechanism that converts a protease into a ligase.