A 2 heures du matin un soir en avril dernier, Michael Schoof a vérifié trois fois les chiffres sur son écran, pris une profonde inspiration, et a envoyé un e-mail qu'il avait attendu toute la journée pour envoyer.

"Je pense que ça marche" était la formulation prudente de son message.

Schoof, un étudiant diplômé dans le laboratoire de Peter Walter, Doctorat., un scientifique de renom spécialisé dans le tri des protéines et les membranes cellulaires, faisait partie d'une petite équipe en mission chimérique :immobiliser le SARS-CoV-2, le nouveau coronavirus qui cause le COVID, en utilisant une version synthétique de minuscules anticorps découverts à l'origine chez les lamas et les chameaux. Ces « nanocorps, " comme on les appelle, était venu du laboratoire UC San Francisco d'Aashish Manglik, MARYLAND., Doctorat., un scientifique prometteur des protéines qui avait passé les trois années précédentes à construire une vaste bibliothèque de nanocorps et à développer de nouvelles façons d'exploiter leurs propriétés inhabituelles.

Au cours du mois précédent, Schoof avait passé la plupart de ses heures d'éveil cloîtré dans le complexe de laboratoire autrement vide sur le campus de Mission Bay de l'UCSF. C'était l'apogée de la flambée de COVID du printemps 2020, et seul le personnel de santé essentiel et ceux travaillant sur la science liée à la pandémie ont été autorisés dans les installations de l'Université. Schoof avait dragué son colocataire, un autre étudiant diplômé nommé Reuben Saunders, à travailler avec lui sur le projet. Subsistant de boulettes cuites à la vapeur et de gallons de thé, ils avaient trié les 2 milliards de nanocorps de la bibliothèque de Manglik dans l'espoir d'identifier une molécule capable de se fixer sur le mortel SARS-CoV-2 et de l'immobiliser. Maintenant, finalement, Schoof était convaincu qu'ils avaient réalisé leur première grande percée.

La première étape de toute infection virale est un détournement cellulaire. Pour prendre le contrôle d'une cellule humaine, Le SRAS-CoV-2 verrouille les pointes en forme de grappin sur son propre extérieur aux protéines appelées récepteurs ACE2 à l'extérieur d'une cellule cible. Mais si, se demandaient les chercheurs, ils pourraient bloquer le pirate de l'air en donnant aux grappins quelque chose d'autre sur lequel s'accrocher ?

Ce jour là, Schoof avait commencé à effectuer des tests sur des centaines de colonies de levures, chacun conçu pour produire certains nanocorps de la bibliothèque de Manglik. Tous ces nanocorps particuliers avaient démontré une capacité à s'accrocher aux pointes du SRAS-CoV-2. Il était maintenant temps de poser les questions clés :à quel point ces nanocorps étaient-ils étroitement liés aux pointes ? Étaient-ils capables de rivaliser avec les récepteurs ACE2 ?

Découvrir, Schoof avait mélangé ses cellules de levure exprimant des nanocorps avec des pointes fluorescentes de SARS-CoV-2. Quand il regarda les résultats des deux premières planches, il a ressenti une montée d'excitation, qu'il a rapidement tempéré par le scepticisme scientifique qu'on lui avait appris à cultiver. Certains des nanocorps collaient aux pointes du SRAS-CoV-2 mais pouvaient toujours être écartés par un excès de récepteurs ACE2 humains :preuve évidente d'un neutralisant potentiel.

"Cette, " se souvient-il, "C'est quand nous savions que nous avions quelque chose."

Dans les jours qui ont suivi l'e-mail circonspect de Schoof en fin de soirée, Walter et Manglik ont ​​exploité leurs réseaux respectifs de contacts scientifiques, appeler des renforts de laboratoires à travers le campus et aussi loin que Paris pour les aider dans la prochaine étape de leur recherche. Bientôt, la petite équipe s'était transformée en une véritable armée de chercheurs interdisciplinaires et d'étudiants diplômés. En novembre, ils ont publié leurs résultats dans la prestigieuse revue Science. Dans le journal, près de 60 co-auteurs ont décrit une audacieuse, contre-mesure COVID innovante, proposant que leurs nanocorps puissent être utilisés de manière peu coûteuse, spray nasal facile à transporter capable de neutraliser le SRAS-CoV-2. Entre eux, ils ont surnommé les molécules AeroNabs.

Depuis, l'équipe de l'UCSF recherche un partenaire industriel prêt à financer le processus d'essai clinique coûteux et rigoureux, mais actuellement, les sociétés pharmaceutiques se concentrent sur le développement de vaccins pour la prévention et d'anticorps plus traditionnels pour le traitement.

Mais l'approche des nanocorps est prometteuse. En raison de la structure simple des nanocorps, Les AeroNabs pourraient être beaucoup moins chers et plus rapides à produire en masse, beaucoup plus facile à transporter, et beaucoup plus faciles à stocker que les anticorps traditionnels actuellement utilisés et en cours de développement.

"C'est quelque chose que vous pourriez prendre après un test positif qui pourrait diminuer votre charge virale immédiatement, " dit Walter. " Ainsi, vos chances de développer une maladie grave seraient réduites par ce traitement. "

Il note également que la vaccination de masse prendra du temps, et que tout le monde dans la population ne peut pas ou ne sera pas vacciné, rendant la protection passive toujours incroyablement précieuse. "Et, " il ajoute, "nous ne savons pas dans quelle mesure le vaccin sera disponible au-delà des pays les plus riches du monde."

Duo dynamique

Les graines du projet AeroNabs ont été plantées en 2017, lorsque Walter a entendu Manglik prononcer un discours sur son travail.

A première vue, les deux scientifiques semblent être un couple étrange. Avec sa tête pleine de cheveux noirs, sourire de garçon, et le menton rasé de près, Manglik pourrait être confondu avec un étudiant diplômé. En réalité, c'est une étoile montante dans son domaine qui en 2013 a fait Scientifique américain la liste "30 moins de 30 ans". Né en Inde, Manglik a passé ses huit premières années en Arabie saoudite avant que sa famille n'immigre à Des Moines, Iowa, où il a découvert les sciences au collège. Walter, la soixantaine, d'autre part, arbore une barbe et une moustache blanches complètes et des lunettes à petites lentilles. Il est né et a grandi en Allemagne, est venu aux États-Unis pour ses études supérieures, et a tracé une carrière légendaire. Ses nombreux honneurs incluent le prestigieux Lasker Award, souvent considéré comme un précurseur d'un prix Nobel. Mais malgré leurs différences, Walter et Manglik partagent une passion profonde pour la biologie moléculaire et ses éléments constitutifs organiques infiniment flexibles :les protéines.

L'exposé de Manglik ce jour-là portait sur ses efforts pour assembler l'une des plus grandes bibliothèques de nanocorps au monde, une solution prometteuse, type d'anticorps relativement nouveau dérivé du sang de lamas, chameaux, et d'autres animaux de la famille des camélidés. Il avait d'abord découvert les nanocorps à l'école supérieure de Stanford, après être tombé amoureux de l'étude des récepteurs, une large famille de protéines impliquées dans la signalisation intercellulaire. Les récepteurs sortent des cellules comme des antennes, chacun répondant à un signal chimique spécifique. En étudiant les récepteurs d'adrénaline humains, Manglik a largement utilisé les nanocorps, lequel, grâce à leur petite taille, peut interagir avec les récepteurs avec beaucoup plus de précision que les anticorps sur mesure qu'il utilisait pour explorer les propriétés des récepteurs. Ses expériences ont révélé comment différentes configurations géométriques de récepteurs influencent leur comportement de signalisation.

"Les protéines ne sont pas que de simples Legos qui s'emboîtent, ce sont comme des Legos faits de gelée ou de mastic, " explique Manglik. " Ils bougent constamment. En réalité, c'est le mouvement d'une protéine, il s'avère, cela compte vraiment pour la façon dont cela fonctionne. Et les nanocorps peuvent nous aider à contrôler ce mouvement."

Nanobodies :une aubaine pour la science

Les nanobodies ont été découverts à la fin des années 1980 par deux étudiants de premier cycle à l'Université libre de Bruxelles, après avoir approché leur professeur de biologie, un immunologiste nommé Raymond Hamers, se plaindre d'une mission. L'histoire a obscurci le motif de leur plainte; un récit largement cité soutient que les étudiants craignaient que le devoir, qui les obligeait à analyser les anticorps dans le sang humain, pourrait les contaminer avec une maladie. Une autre version raconte que les étudiants ont trouvé l'expérience ennuyeuse et ont demandé à leur professeur de leur attribuer quelque chose de plus original.

Quelle que soit la vérité, personne ne conteste ce qui s'est passé ensuite. En fouillant dans un réfrigérateur de laboratoire, Hamers a trouvé un flacon de sérum congelé de dromadaire infecté par des parasites susceptibles de provoquer la maladie du sommeil africaine. Il l'a donné aux étudiants et leur a suggéré d'isoler les anticorps dans le sang de chameau pour voir à quoi ils ressemblaient. Quand les étudiants purifièrent le sang, ils ont découvert quelque chose d'étonnant.

En plus des anticorps standards trouvés chez tous les vertébrés, les échantillons purifiés contenaient un anticorps dérivé jamais vu auparavant en science - plus petit, des protéines plus simples, que les étudiants ont d'abord pris pour des fragments d'anticorps conventionnels. Un examen plus approfondi a révélé qu'il s'agissait d'une toute nouvelle classe d'agents immunitaires, dépourvue de l'une des chaînes protéiques trouvées dans tous les autres anticorps précédemment étudiés.

La découverte a conduit à un article révolutionnaire de 1993 dans la prestigieuse revue La nature . Hamers et ses étudiants ont surnommé les nouveaux nanocorps de protéines diminutifs. Des anticorps monocaténaires similaires ont ensuite été identifiés chez des lamas, alpagas, guanacos (un autre mammifère sud-américain à long cou), et même des requins.

Il est vite devenu évident que non seulement les nanocorps étaient utiles sur le plan immunologique, mais que leur petite taille en faisait des outils expérimentaux utiles, comme Manglik et ses collègues de l'UCSF peuvent amplement le confirmer.

En étudiant comment ces blocs de construction gélatineux au niveau moléculaire se déplacent, enclencher et décrocher, et interagir sont devenus l'objectif de Manglik lorsqu'il a rejoint la faculté de l'UCSF. Il a su très tôt que les nanocorps constitueraient une grande partie de son travail. Bien que des anticorps et des nanocorps existent pour aider les animaux à combattre l'infection, Manglik les considère également comme un outil infiniment malléable qui peut être utilisé pour pirater un large éventail de processus dans le corps humain ainsi que pour décoder les mystères scientifiques de base. Mais les nanocorps prenaient beaucoup de temps à fabriquer et nécessitaient un accès aux camélidés. En tant qu'étudiant diplômé, Manglik s'était appuyé sur un collaborateur en Belgique qui injecterait une protéine réceptrice d'intérêt dans un lama, puis récolter les nanocorps du sang de l'animal. L'ensemble du processus a nécessité des mois de travail très spécialisé, ce que seuls quelques groupes avaient la capacité de faire.

Pour démocratiser l'accès aux nanocorps pour les chercheurs du monde entier, Manglik a fait équipe avec Andrew Kruse, Doctorat., un ami proche de l'école supérieure qui avait rejoint la faculté de la Harvard Medical School. Ensemble, les deux laboratoires ont créé des milliards de séquences d'ADN uniques codant pour les nanocorps, chacun inspiré par les nanocorps normalement trouvés à l'intérieur des lamas. Les séquences d'ADN de ces nanocorps sont hébergées dans un vaste pool de milliards de petites cellules de levure, dont chacun peut être cajolé pour mettre une copie d'un nanocorps individuel sur sa surface. Contournant complètement le besoin d'un lama vivant, une telle bibliothèque permet aux chercheurs d'accéder à des cellules de levure abritant des nanocorps spécifiques pour une tâche donnée. Manglik et Kruse ont ouvertement partagé leurs bibliothèques avec des centaines de laboratoires à travers le monde.

"L'idée est que chez un animal, il y a des milliards de nanocorps différents pour lutter contre tout ce qu'il peut rencontrer, " dit-il. "Nous voulions créer une bibliothèque qui encodait des milliards de nanocorps individuels. Cette bibliothèque serait un excellent point de départ pour trouver un nanocorps contre pratiquement tout, le tout en laboratoire et sans avoir besoin d'injecter un animal."

Après avoir entendu Manglik expliquer tout cela, Walter a conduit son étudiant diplômé Michael Schoof au laboratoire de Manglik. Schoof essayait de moduler le comportement d'une protéine liée à une lésion cérébrale traumatique, et Walter soupçonnait que les nanocorps de Manglik pourraient être utiles dans cet effort.

Puis le coronavirus a frappé, le monde s'est arrêté, et presque toutes les activités non liées au COVID à l'université ont été fermées.

"Alors à ce moment-là, nous l'avons dit, "Bien, nous pouvons soit nous asseoir à la maison maintenant, ou nous pouvons réfléchir à la manière dont nous pouvons vraiment aider dans cette recherche d'une solution, '", se souvient Walter.

Dans quelques jours, Walter et Schoof étaient en contact par e-mail avec Manglik. Ils connaissaient les propriétés anti-maladies des nanocorps. Une technologie de nanocorps a récemment obtenu l'approbation de la FDA pour traiter un trouble de la coagulation sanguine, et un autre, utilisé pour traiter un virus respiratoire, avaient atteint un stade avancé des essais cliniques.

Était-il possible qu'ils en construisent un pour lutter contre le coronavirus ?

Un résultat étonnant

Depuis le début, l'équipe savait, le succès du projet reposerait sur leur capacité à trouver un nanocorps avec une affinité de liaison suffisante - la capacité de s'attacher et de camisole de force les pointes du coronavirus.

Les protéines ont des formes spécifiques. La façon dont deux protéines s'emboîtent détermine leur affinité de liaison. Walter et Manglik savaient que l'affinité de liaison qui fait adhérer le SARS-CoV-2 aux protéines ACE2 pourrait théoriquement être maîtrisée par un nanocorps façonné de la bonne manière.

Manglik avait déjà un ingrédient clé pour une telle expérience. Des chercheurs de l'Université du Texas (UT) à Austin ont récemment révélé la structure unique des pointes du SRAS-CoV-2 qui ont permis au virus de se lier aux récepteurs ACE2 des cellules humaines. Manglik a contacté Jason McLellan de l'UT, Doctorat., qui ont accepté de lui envoyer leur "construction" - un morceau d'ADN codant pour les pointes qui pourraient être insérées dans une autre cellule, exprimé en grande quantité, purifié, et utilisé pour des expériences.

L'équipe a commencé à examiner les 2 milliards de nanocorps de la bibliothèque pour voir s'ils pouvaient trouver des composés ayant la bonne affinité de liaison avec les pointes du SRAS-CoV-2. Dans les trois semaines, ils avaient identifié 800 candidats potentiels, et une semaine plus tard, Schoof a écrit son e-mail prudent de fin de soirée informant Manglik et Walter qu'il avait vu quelques premiers résultats positifs. Fin avril, l'équipe avait identifié 21 nanocorps distincts qui semblaient rivaliser avec le récepteur ACE2, bloquant théoriquement le mécanisme de fixation du SARS-CoV-2.

C'est alors que la petite équipe a commencé à grandir, recruter des biologistes structurels pour déterminer comment les nanocorps se lient à la protéine de pointe du SRAS-CoV-2, puis utiliser ces informations pour concevoir des modifications afin de les rendre encore plus puissantes.

Cela a nécessité la purification de 21 protéines candidates, tester leur reliure, puis en utilisant les installations de cryomicroscopie électronique de l'UCSF pour imager à une résolution proche de l'atome les candidats les plus prometteurs, alors qu'ils étaient liés au pic SARS-CoV-2. Pour accomplir cette tâche monumentale, ils ont uni leurs forces à un effort parallèle connu sous le nom de QCRG Structural Biology Consortium, un processus semblable à une chaîne de montage mis en place par 12 membres du corps professoral de l'UCSF et plus de 60 stagiaires pour lutter contre le SRAS-CoV-2. L'effort a été alimenté par un sentiment d'urgence, et les participants ont travaillé des heures exténuantes jusque tard dans la nuit.

Une fois que l'équipe a eu des images des meilleurs nanocorps liés au pic SARS-CoV-2, ils ont commencé à examiner le mécanisme de liaison unique de chaque nanocorps et ont utilisé ces informations pour concevoir une version de nouvelle génération. Ils ont décidé de construire un nanocorps à trois bras composé de trois copies d'un seul nanocorps cousu ensemble afin qu'il puisse se lier simultanément aux trois bras séparés qui composent chaque pointe de coronavirus.

Après avoir assemblé les nanobodies et les avoir testés, Bryan Faust, un étudiant diplômé du laboratoire de Manglik, a livré la prochaine découverte passionnante :chacun des trois bras a amélioré la liaison de ses voisins de manière exponentielle. La capacité de la version améliorée à se lier aux pointes virales a été multipliée par deux cent mille.

« Ce fut un résultat incroyable - de voir cet énorme ordre d'amélioration, " se souvient Walter. " C'était l'heure de la fête. "

Pour tester le composé contre un virus vivant, l'équipe avait besoin d'un laboratoire avec une désignation de niveau de biosécurité 3 (BSL-3). Le groupe a recruté Marco Vignuzzi, Doctorat., un ancien post-doctorant de l'UCSF qui dirige un laboratoire BSL-3 à l'Institut Pasteur à Paris. Par Juin, l'un des post-doctorants de Vignuzzi exécutait le nanocorps UCSF contre le SRAS-CoV-2 réel pour voir s'il était capable de neutraliser le virus.

Le résultat final était à la fois très efficace et stable, si stable qu'il peut être livré sous forme d'aérosol à l'aide d'un nébuliseur à mailles que Manglik a acheté sur Amazon.

Avec Big Pharma focalisé sur le développement de vaccins et d'anticorps traditionnels, trouver un chemin rapide vers la commercialisation s'est avéré difficile. Mais Manglik, Walter, et leur équipe ne se découragent pas.

"Il est presque certain qu'il y aura plus de pandémies respiratoires dans notre vie, " dit Manglik. " Il pourrait s'agir de la grippe, une autre pandémie de SRAS, ou un agent pathogène que nous ne connaissons même pas encore. Pour la prochaine pandémie, l'espoir est que les chercheurs puissent aller non seulement aussi vite que nous, mais peut-être encore plus vite."

Sans aucun doute, il serait difficile de trouver un témoignage plus puissant de la délicieuse imprévisibilité et du potentiel de la science moderne - qu'une pandémie qui a causé la solitude, Souffrance, et la mort a également donné naissance à cet équipage éclectique et à leur solution potentiellement salvatrice qui, il y a quelques années à peine, aurait pu sembler absurde.

"C'est juste une de ces choses où tu dis, "Nous voulons partir dans cette aventure, ' », dit Walter. « Nous nous y sommes engagés, et puis cela a fonctionné bien mieux que nous n'aurions pu rêver."