Dommage pour le glycane - ces molécules de sucre complexes sont attachées à 80% des protéines du corps humain, ce qui en fait un ingrédient essentiel de la vie. Mais ce processus, connu sous le nom de glycosylation, a été quelque peu éclipsée par des processus biomoléculaires plus flashy tels que la transcription et la traduction.

"La glycosylation est absolument essentielle à la vie sur cette planète. Et pourtant, on en sait encore relativement peu, " a déclaré Matthieu DeLisa, le professeur d'ingénierie William L. Lewis à la Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering. "Alors que beaucoup d'attention a été accordée à la compréhension du génome et du protéome, le glycome - qui représente l'ensemble du complément des sucres, soit libres, soit présents dans des molécules plus complexes telles que les glycoprotéines, d'un organisme - a été relativement peu étudiée. Nous avons besoin de nouveaux outils pour faire avancer le domaine."

Le laboratoire de DeLisa a créé ces outils en réquisitionnant des outils simples, micro-organismes unicellulaires, à savoir E. coli bactéries - et les ingénierie pour explorer le processus complexe de glycosylation et le rôle fonctionnel que jouent les glycanes liés aux protéines dans la santé et la maladie.

Le papier du groupe, "Ingénierie de la biosynthèse orthogonale des glycoprotéines humaines liées à l'O dans les bactéries, " publié le 27 juillet dans Nature Chimie Biologie . L'auteur principal est Aravind Natarajan, doctorat '19.

Précédemment, L'équipe de DeLisa a utilisé une approche similaire de glyco-ingénierie cellulaire pour produire l'un des types les plus courants de glycoprotéines, celles avec des structures glycanes liées à l'acide aminé asparagine, ou N-lié. Maintenant, les chercheurs ont tourné leur attention vers une autre glycoprotéine abondante, à savoir O-linked, dans lequel les glycanes sont attachés à l'atome d'oxygène des acides aminés sérine ou thréonine d'une protéine.

Les glycanes O-liés sont plus diversifiés structurellement que leurs cousins ​​N-liés, et ils ont des implications importantes dans le développement de nouveaux traitements thérapeutiques pour des maladies telles que le cancer du sein.

"Nos efforts d'ingénierie cellulaire ont été assez compliqués car nous devions non seulement équiper E. coli avec l'ensemble complet d'enzymes pour fabriquer et attacher des structures glycanes aux protéines, mais nous avons également dû recâbler soigneusement les réseaux métaboliques natifs pour assurer la disponibilité d'importants éléments constitutifs des glycanes tels que l'acide sialique, " a déclaré Natarajan. " L'ajout d'acide sialique à nos glycoprotéines est important car ce résidu de sucre est souvent crucial pour cibler les médicaments sur des cellules spécifiques et augmenter leur demi-vie circulatoire. "

Quand une cellule devient cancéreuse, il exprime certains biomarqueurs, y compris les protéines de surface anormalement glycosylées, qui indiquent la présence d'un cancer. Le groupe DeLisa équipé E. coli avec la machinerie pour produire de telles protéines, dont un qui ressemblait étroitement à un important biomarqueur du cancer, mucine 1 (MUC1).

« La version glycosylée de MUC1 est l'un des antigènes cibles les plus prioritaires pour le traitement du cancer. Il a été très difficile de développer des thérapies contre cette cible, " dit DeLisa, l'auteur principal de l'article. "Mais en ayant un outil biosynthétique comme celui que nous avons créé qui est capable de répliquer la structure MUC1, nous espérons que cela pourrait fournir des réactifs glycoprotéiques qui pourraient être exploités pour découvrir des anticorps ou utilisés directement comme immunothérapies, tout cela pourrait aider à lutter contre certains types de cancer. »

Des glycanes liés à l'O et au N ont également été découverts dans l'une des protéines de surface du virus SARS-CoV-2, qui cause le COVID-19. DeLisa espère que la méthode de glyco-ingénierie des cellules bactériennes de son groupe ouvrira la porte à la création de versions glycosylées de cette protéine S qui pourraient conduire à des anticorps thérapeutiques contre le coronavirus, ou le développement d'un vaccin sous-unitaire.

En raison de leurs travaux antérieurs sur la réplication des glycanes N-liés, les chercheurs ont réussi à mettre en place et à faire fonctionner rapidement le système O-linked. Maintenant, le laboratoire de DeLisa est prêt à fabriquer des protéines qui portent les deux types de glycosylation, ce qui est important car de nombreuses glycoprotéines, comme la protéine S du SARS-CoV-2, portent à la fois des structures glycanes N- et O-liées.

Les chercheurs explorent également des moyens d'augmenter le spectre des glycoprotéines que leurs E. coli les cellules peuvent produire et l'efficacité avec laquelle ces produits sont générés.

« Nous pensons à E. coli comme un châssis propre ou une ardoise vierge en matière de glycosylation des protéines, car ces bactéries ne font normalement pas de réactions de glycosylation comme celles que nous avons installées, " a déclaré DeLisa. " Cela permet la construction de ces voies de bas en haut, nous donnant un contrôle total sur les types de structures glycanes qui sont faites, et les sites spécifiques dans les protéines cibles où ils sont attachés. C'est un niveau de contrôle difficile à atteindre avec d'autres systèmes ou technologies cellulaires préexistants pour l'ingénierie des glycoprotéines. »