Les cellules sont incroyablement aptes à créer des molécules complexes, comme la thérapeutique, et peut faire tellement mieux que bon nombre de nos meilleures usines.

Les biologistes synthétiques cherchent à réorganiser les cellules pour fabriquer ces molécules pour des besoins spécifiques, y compris les applications pharmaceutiques et énergétiques. Mais le processus d'essais et d'erreurs est difficile et prend du temps, et est souvent en concurrence avec les autres objectifs et processus de la cellule, comme la croissance et la survie.

Une nouvelle méthode développée à la Northwestern University combine deux approches de recherche de pointe pour créer un moyen efficace de concevoir et d'analyser les voies métaboliques.

Les approches (synthèse de protéines acellulaires et spectrométrie de masse à ionisation de désorption monocouche auto-assemblée (SAMDI)) se combinent pour créer un nouvel outil pour aider les ingénieurs à mieux comprendre les voies de création de molécules.

"Avec ces deux méthodes, nous pouvons construire des milliers de mélanges potentiels et les tester tous en une seule journée, un processus beaucoup plus rapide qui donnera de nouvelles perspectives et règles de conception pour les biologistes synthétiques, " a déclaré Milan Mrksich, le professeur Henry Wade Rogers de génie biomédical, Chimie, et biologie cellulaire et moléculaire à la McCormick School of Engineering de Northwestern. Il est également codirecteur du Centre de biologie synthétique de Northwestern.

Les résultats ont été publiés le 5 juin dans la revue Avancées scientifiques . Michael Jewett, le professeur Charles Deering McCormick d'excellence en enseignement, professeur de génie chimique et biologique, et co-directeur du Centre de biologie synthétique, est co-auteur de la recherche.

Création d'enzymes par synthèse acellulaire

Les cellules développent des molécules complexes grâce à des enzymes, la protéine qui est utilisée pour convertir une molécule en une autre. Grâce à une série de ces conversions, un métabolite devient une molécule complexe, celui qui est souvent associé à un avantage sociétal.

Pour que les ingénieurs imitent ce processus, ils doivent identifier quelles enzymes sont nécessaires pour leur donner la molécule désirée. Une fois qu'ils ont compris cette voie métabolique, ils peuvent concevoir une cellule (souvent une cellule bactérienne) pour fabriquer les enzymes nécessaires à la création de la molécule cible. Par exemple, La coenzyme A (CoA) est une molécule centrale dans le métabolisme, et les biologistes synthétiques ont utilisé ses voies dépendantes pour concevoir des médicaments antipaludiques, la levure de bière, et les biocarburants avancés.

Mais trouver ces voies est un processus d'essais et d'erreurs qui peut prendre des jours d'efforts à la fois pour concevoir puis tester le résultat. Pour dépasser ça, Le laboratoire de Jewett a développé un processus de synthèse de protéines sans cellules qui crée uniquement les enzymes nécessaires pour fabriquer les molécules du produit cible, mais sans avoir à utiliser toute la cellule elle-même. Ici, le laboratoire a créé des enzymes, ce qui leur permet de mélanger et d'assortir des enzymes potentielles dans des tubes de réaction sans que leurs objectifs ultimes entrent en compétition avec les autres objectifs d'une cellule, comme maintenir son métabolisme.

« La synthèse de protéines acellulaires est vraiment une technologie passionnante, " a déclaré Jewett. " L'approche basée sur le cocktail pour la construction de fonctions biosynthétiques à l'aide de systèmes acellulaires que nous décrivons ici atteint une liberté de conception sans précédent pour étendre les capacités des biocatalyseurs naturels. "

Analyser rapidement avec SAMDI

Une fois ces solutions créées, tester leur succès nécessite au moins une demi-heure par échantillon. Parce qu'il y a tellement de solutions possibles, ce processus manuel n'est pas assez efficace pour rechercher les résultats optimaux.

C'est là qu'intervient la spectrométrie de masse SAMDI de Mrksich. La technologie mesure les réactions biochimiques de manière extrêmement rapide et économique. "On peut facilement en tester 10, 000 mélanges réactionnels en une seule journée pour déterminer quelles molécules ont été synthétisées et quelle quantité de chacune est présente dans les mélanges réactionnels, " a déclaré Mrksich.

En outre, la méthode leur permet d'observer toutes les molécules présentes dans la réaction, ce qui signifie qu'ils peuvent trouver des molécules qu'ils ne recherchaient pas nécessairement en premier lieu. "C'est assez excitant, " Mrksich a déclaré. "C'est un outil scientifique puissant qui nous apprend comment ces réactions sont équilibrées et se compromettent dans la cellule."

Créer des usines avec des cellules

Pour prouver cette méthode, les chercheurs ont synthétisé l'hydroxyméthylglutaryl-CoA (HMG-CoA), un métabolite commun utilisé dans la synthèse de nombreuses molécules complexes, y compris une classe de molécules importantes connues sous le nom d'isoprénoïdes (y compris les stéroïdes et les médicaments anticancéreux), et cartographié plus de 800 conditions de réaction uniques.

"Aujourd'hui, un projet typique de biologie synthétique pourrait explorer des dizaines de variantes d'une voie, " dit Jewett. " Avec notre méthode, nous montrons qu'il est possible de tester des centaines à des milliers de variations de voies. Ceci est important car cela permettra à de nouveaux types de conception basée sur les données de faciliter l'optimisation des voies. »

Parce que la méthode SAMDI crée autant de points de données pour chaque test, les chercheurs espèrent utiliser davantage de méthodes d'apprentissage automatique et d'intelligence artificielle pour les aider à analyser et à donner un sens à toutes les données.

L'objectif ultime est d'avoir une compréhension suffisante pour exploiter la puissance d'une cellule afin de créer des produits pharmaceutiques et des produits chimiques durables de nouvelle génération pour l'énergie. Tout comme l'augmentation rapide des performances des appareils informatiques, décrite par la loi de Moore, a eu un impact profond sur l'ensemble de l'industrie informatique et de l'électronique grand public, « cette approche représente la prochaine étape de l'ingénierie qui aura un impact analogue sur la biologie synthétique pour toutes ses applications, " dit Jewett.

"Imaginez remplacer des usines entières par un baril de bactéries, " a déclaré Mrksich. " Ces cellules bactériennes peuvent être modifiées pour produire nos molécules cibles, sans les températures élevées et les solvants et produits chimiques dangereux qui sont normalement requis. C'est une voie attrayante pour la fabrication de produits chimiques, et avec ce nouveau procédé, nous avons considérablement amélioré l'efficacité avec laquelle les voies peuvent être découvertes et optimisées."