Fig. 1 :Affichage de surface de levure d'hypermutation autonome (AHEAD). une, Schéma pour l'évolution rapide de la liaison de haute affinité en utilisant AHEAD. Un B, fragment d'anticorps; DNAP, ADN polymérase; HA, étiquette hémagglutinine. b, Graphique de cytométrie montrant la détection d'un fragment d'anticorps monocaténaire (scFv) affiché en surface fonctionnelle et d'un nanocorps (Nb) affiché en surface fonctionnellement codé sur le plasmide orthogonal p1, répliqué par un DNAP orthogonal associé. L'ADNP orthogonal utilisé dans ce cas était le wt TP-DNAP1 (Méthodes) plutôt que le variant TP-DNAP1-4-2 sujet aux erreurs qui a été utilisé pour toutes les expériences d'évolution AHEAD ultérieures. Les antigènes apparentés pour 4-4-20 (fluorescéine) et AT110 (AT1R) ont été marqués avec de la biotine et une étiquette FLAG, respectivement, et détecté avec la streptavidine conjuguée à l'AF647 et l'anti-FLAG conjugué à l'allophycocyanine, respectivement. L'étiquette HA a été détectée avec un anti-HA de souris et un anticorps secondaire de chèvre anti-souris conjugué à l'AF488. De :Génération rapide d'anticorps puissants par hypermutation autonome dans la levure
Lorsque des bactéries ou des virus nocifs pénètrent dans le corps, les cellules immunitaires repèrent des protéines révélatrices appelées antigènes sur les surfaces des envahisseurs et envoient des armées d'anticorps pour les repousser. Si certains de ces anticorps ont juste la bonne forme, ils peuvent s'accrocher et bloquer les antigènes comme la clé d'un cadenas.
Mais notre système immunitaire n'a pas toujours les bons anticorps pour combattre un envahisseur particulier. Ainsi, au cours des dernières décennies, les scientifiques ont appris à travailler avec des animaux tels que les chameaux et les lamas, et d'utiliser des techniques de conception synthétique en laboratoire, pour générer des anticorps qui peuvent être transformés en médicaments.
Plus de 85 thérapies par anticorps ont été approuvées par la FDA à ce jour, dont deux ont obtenu une autorisation d'urgence pour le traitement du COVID-19.
Malgré leur succès, les approches actuelles présentent des inconvénients. Dans un effort pour franchir ces obstacles, chercheurs de la Harvard Medical School et de l'Université de Californie, Irvine, ont développé un plus rapide, plus simple, et une technologie adaptative moins chère pour générer des anticorps hautement spécialisés.
Ils ont déjà utilisé la plateforme, surnommé AHEAD, développer des anticorps contre le virus qui cause le COVID-19. D'autres groupes étudient maintenant ces anticorps comme base pour des tests de diagnostic et des thérapies.
"Nous pensons qu'AHEAD sera un outil puissant pour découvrir et optimiser rapidement les anticorps, en particulier pour lutter contre les agents pathogènes à évolution rapide, " a déclaré Andrew Kruse, professeur de chimie biologique et de pharmacologie moléculaire à l'Institut Blavatnik du HMS et co-investigateur principal de l'étude avec Chang Liu à l'UC Irvine.
Une découverte plus rapide d'anticorps pourrait accélérer le développement de médicaments, tests diagnostiques, et des expériences scientifiques fondamentales.
Comme indiqué le 24 juin dans Nature Chimie Biologie , la méthode utilise de la levure pour fabriquer des centaines de millions de fragments d'anticorps synthétiques différents appelés nanobodies. Les chercheurs peuvent déposer leur antigène d'intérêt, tel que la protéine de pointe que le SRAS-CoV-2 utilise pour pénétrer et infecter les cellules humaines, dans un flacon de levure et voir quels nanocorps s'accrochent.
L'équipe a conçu la levure pour que les nanocorps évoluent à chaque génération. Cela permet aux chercheurs de prendre les gagnants du premier tour, les mettre dans un nouveau flacon, et effectuer un deuxième tri pour obtenir des nanocorps qui se fixent encore plus efficacement sur l'antigène. Ils peuvent effectuer des tours supplémentaires jusqu'à ce qu'ils soient convaincus qu'ils ont un ou plusieurs nanocorps qui se lient bien, et lier seulement, à l'antigène responsable de la maladie, maximiser les chances de développer une thérapie efficace et ayant des effets secondaires minimes.
L'ensemble du processus utilise des techniques standard de culture de levure de laboratoire et ne prend qu'une semaine et demie à trois semaines. Les chercheurs peuvent rechercher des nanocorps contre de nombreux antigènes différents en même temps.
"Nous pouvons faire évoluer des anticorps à une vitesse et à une échelle auparavant inaccessibles, " a déclaré Kruse. "C'est une nouvelle façon de faire de l'ingénierie combinatoire des protéines."
AHEAD est l'abréviation de Autonomous Hypermutation yEast surfAce Display.
Le travail s'appuie sur une plate-forme antérieure dirigée par Kruse et un collègue de l'Université de Californie, San Francisco. La nouvelle version se distingue par ses capacités d'évolution autonome, qui imitent la façon dont les anticorps évoluent naturellement chez les lamas et les chameaux.
"C'est passionnant d'apporter ce puissant processus immunitaire chez les animaux aux cellules de levure, " a déclaré Conor McMahon, co-premier auteur de l'article avec Alon Wellner dans le laboratoire Liu. McMahon a mené le travail alors qu'il était boursier postdoctoral dans le laboratoire Kruse. Il est maintenant Vertex Fellow chez Vertex Pharmaceuticals.
Potentiel de pandémie
Alors qu'AHEAD a le potentiel de produire des anticorps contre des menaces telles que les cancers et les protéines impliquées dans les maladies auto-immunes, Kruse et ses collègues se concentrent pour le moment sur l'utilisation de la technologie pour lutter contre le COVID-19.
"Nous voulions lancer ce projet aussi vite que nous le pouvions, " dit Kruse, "Et nous espérons pouvoir désormais agir encore plus rapidement si quelque chose comme cette pandémie se reproduisait."
Lorsque les chercheurs ont introduit les antigènes du SRAS-CoV-2 dans les flacons de levure, ils ont découvert des nanocorps qui les ont neutralisés au moins aussi bien que, et dans certains cas mieux que, les anticorps existants générés à partir de patients humains, animaux, et des expériences en laboratoire.
Les nanobodies ont eu un succès variable pour convaincre les antigènes de se lier à eux plutôt qu'au récepteur ACE2, que le SARS-CoV-2 utilise pour pénétrer dans les cellules humaines.
Certains collègues qui ont avancé avec les candidats nanocorps les plus prometteurs ont commencé à voir des résultats similaires dans des modèles animaux, tandis que d'autres utilisent les nanobodies pour essayer de développer de meilleurs outils pour détecter le SRAS-CoV-2 et les coronavirus apparentés, selon Kruse et ses co-auteurs.
AHEAD pourrait également aider les experts à réagir plus rapidement lorsque de nouvelles variantes du SRAS-CoV-2 ou des agents pathogènes entièrement nouveaux apparaissent.
« Si le SRAS-CoV-2 évolue d'une manière qui échappe aux thérapies d'anticorps d'urgence actuelles, nous devrions pouvoir en faire évoluer de nouvelles dans environ deux semaines pour bloquer les variantes d'échappement, " dit Kruse.
Puisque "presque n'importe quel laboratoire de biologie" est équipé pour utiliser l'équipement et les techniques simples, AHEAD devrait permettre à de nombreux groupes de travailler à la recherche de solutions aux futures épidémies "dans une réponse distribuée qui répond à l'urgence du problème, " ajouta Kruse.
Les laboratoires de Debora Marks, professeur assistant de biologie des systèmes à HMS, et Jonathan Abraham, professeur assistant de microbiologie à HMS, contribué au travail. L'équipe a publié un article connexe dans Communication Nature détaillant les nouvelles techniques de calcul qu'ils ont développées pour permettre AHEAD.
