De nombreuses protéines sont utiles comme médicaments pour des troubles tels que le diabète, cancer, et l'arthrite. La synthèse de versions artificielles de ces protéines est un processus long qui nécessite des microbes génétiquement modifiés ou d'autres cellules pour produire la protéine souhaitée.

Les chimistes du MIT ont conçu un protocole pour réduire considérablement le temps nécessaire pour générer des protéines synthétiques. Leur machine de synthèse à flux automatisée de table peut enchaîner des centaines d'acides aminés, les éléments constitutifs des protéines, en quelques heures. Les chercheurs pensent que leur nouvelle technologie pourrait accélérer la fabrication de thérapies à la demande et le développement de nouveaux médicaments, et permettre aux scientifiques de concevoir des protéines artificielles en incorporant des acides aminés qui n'existent pas dans les cellules.

"Vous pourriez concevoir de nouvelles variantes qui ont une fonction biologique supérieure, activé en utilisant des acides aminés non naturels ou des modifications spécialisées qui ne sont pas possibles lorsque vous utilisez l'appareil de la nature pour fabriquer des protéines, " dit Brad Pentelute, professeur agrégé de chimie au MIT et auteur principal de l'étude.

Dans un article paru aujourd'hui dans Science , les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient produire chimiquement plusieurs chaînes de protéines jusqu'à 164 acides aminés de long, y compris les enzymes et les facteurs de croissance. Pour une poignée de ces protéines synthétiques, ils ont effectué une analyse détaillée montrant que leur fonction est comparable à celle de leurs homologues naturels.

Les auteurs principaux de l'article sont l'ancienne postdoctorante du MIT Nina Hartrampf, qui est maintenant professeur assistant à l'Université de Zurich, Azin Saebi, étudiant diplômé du MIT, et l'ancien associé technique du MIT, Mackenzie Poskus.

Production rapide

La majorité des protéines présentes dans le corps humain contiennent jusqu'à 400 acides aminés. La synthèse de grandes quantités de ces protéines nécessite la fourniture de gènes pour les protéines souhaitées dans des cellules qui agissent comme des usines vivantes. Ce processus est utilisé pour programmer des cellules bactériennes ou de levure pour produire de l'insuline et d'autres médicaments tels que les hormones de croissance.

"C'est un processus qui prend du temps, " dit Thomas Nielsen, responsable de la recherche en chimie chez Novo Nordisk, qui est également auteur de l'étude. "Vous avez d'abord besoin du gène disponible, et vous devez savoir quelque chose sur la biologie cellulaire de l'organisme pour pouvoir concevoir l'expression de votre protéine. »

Une approche alternative pour la production de protéines, proposé pour la première fois dans les années 1960 par Bruce Merrifield, qui a reçu plus tard le prix Nobel de chimie pour ses travaux sur la synthèse de peptides en phase solide, consiste à enchaîner chimiquement les acides aminés par étapes. Il y a 20 acides aminés que les cellules vivantes utilisent pour construire des protéines, et en utilisant les techniques mises au point par Merrifield, il faut environ une heure pour effectuer les réactions chimiques nécessaires pour ajouter un acide aminé à une chaîne peptidique.

Dans les années récentes, Le laboratoire de Pentelute a inventé une méthode plus rapide pour effectuer ces réactions, basé sur une technologie connue sous le nom de chimie de flux. Dans leur machine, les produits chimiques sont mélangés à l'aide de pompes et de vannes mécaniques, et à chaque étape de la synthèse globale, ils passent par un réacteur chauffé contenant un lit de résine. Dans le protocole optimisé, la formation de chaque liaison peptidique prend en moyenne 2,5 minutes, et des peptides jusqu'à 25 acides aminés de long peuvent être assemblés en moins d'une heure.

Suite au développement de cette technologie, Novo Nordisk, qui fabrique plusieurs médicaments protéinés, s'est intéressé à travailler avec le laboratoire de Pentelute pour synthétiser des peptides et des protéines plus longs. Pour y parvenir, les chercheurs avaient besoin d'améliorer l'efficacité des réactions qui forment des liaisons peptidiques entre les acides aminés de la chaîne. Pour chaque réaction, leur taux d'efficacité précédent se situait entre 95 et 98 pour cent, mais pour les protéines plus longues, ils avaient besoin que ce soit plus de 99%.

« La raison était que si nous devenions vraiment bons dans la fabrication de peptides, nous pourrions étendre la technologie pour fabriquer des protéines, " dit Pentelute. " L'idée est d'avoir une machine vers laquelle un utilisateur pourrait marcher et mettre une séquence de protéines, et il enchaînerait ces acides aminés d'une manière si efficace qu'à la fin de la journée, vous pouvez obtenir la protéine que vous voulez. Cela a été très difficile car si la chimie n'est pas proche de 100 % pour chaque étape, vous n'obtiendrez aucun des matériaux souhaités."

Pour booster leur taux de réussite et trouver la recette optimale pour chaque réaction, les chercheurs ont effectué des réactions de couplage spécifiques aux acides aminés dans de nombreuses conditions différentes. Dans cette étude, ils ont assemblé un protocole universel qui a atteint une efficacité moyenne supérieure à 99% pour chaque réaction, ce qui fait une différence significative lorsque tant d'acides aminés sont liés pour former de grandes protéines, disent les chercheurs.

« Si vous voulez fabriquer des protéines, ce 1% supplémentaire fait vraiment toute la différence, car les sous-produits s'accumulent et vous avez besoin d'un taux de réussite élevé pour chaque acide aminé incorporé, " dit Hartrampf.

En utilisant cette approche, les chercheurs ont réussi à synthétiser une protéine contenant 164 acides aminés, la Sortase A, une protéine bactérienne. Ils produisaient également de la proinsuline, un précurseur d'insuline avec 86 acides aminés, et une enzyme appelée lysozyme, qui a 129 acides aminés, ainsi que quelques autres protéines. La protéine souhaitée doit être purifiée puis repliée dans la forme correcte, ce qui ajoute quelques heures supplémentaires au processus de synthèse global. Toutes les protéines synthétisées purifiées ont été obtenues en milligrammes, représentant entre 1 et 5 pour cent du rendement global.

Chimie médicale

Les chercheurs ont également testé les fonctions biologiques de cinq de leurs protéines synthétiques et ont constaté qu'elles étaient comparables à celles des variantes exprimées biologiquement.

La capacité à générer rapidement toute séquence protéique souhaitée devrait permettre un développement et des tests plus rapides de médicaments, disent les chercheurs. La nouvelle technologie permet également d'incorporer dans des protéines d'autres acides aminés que les 20 codés par l'ADN des cellules vivantes, élargissant considérablement la diversité structurelle et fonctionnelle des médicaments protéiques potentiels qui pourraient être créés.

« Cela ouvre la voie à un nouveau domaine de la chimie médicinale des protéines, " dit Nielsen. " Cette technologie complète vraiment ce qui est disponible pour l'industrie pharmaceutique, offrant de nouvelles opportunités pour la découverte rapide de produits biopharmaceutiques à base de peptides et de protéines."

Les chercheurs travaillent maintenant à améliorer encore la technologie afin qu'elle puisse assembler des chaînes protéiques d'une longueur maximale de 300 acides aminés. Ils travaillent également sur l'automatisation de l'ensemble du processus de fabrication, de sorte qu'une fois la protéine synthétisée, le clivage, purification, et les étapes de pliage se produisent également sans aucune intervention humaine requise.