Des scientifiques de l'EPFL ont dévoilé une méthode utilisant des nanopores biologiques et l'apprentissage profond pour détecter les modifications protéiques, ouvrant ainsi de nouvelles voies dans le diagnostic des maladies.

Les protéines, bêtes de somme de la cellule, subissent diverses modifications après leur synthèse. Parce qu'elles peuvent profondément affecter le fonctionnement d'une protéine dans la cellule, ces « modifications post-traductionnelles », ou PTM, sont essentielles à de nombreux processus biologiques.

Les PTM servent également de biomarqueurs pour plusieurs maladies, ce qui signifie qu’il est crucial que nous puissions les détecter et les analyser avec précision pour éviter des diagnostics erronés. Mais les méthodes traditionnelles sont cependant limitées en termes de sensibilité et de spécificité, en particulier lorsqu'il s'agit de faibles concentrations de protéines et de modèles PTM complexes.

Aujourd’hui, des scientifiques de l’EPFL ont développé une nouvelle méthode qui combine la sensibilité des nanopores biologiques avec la précision de l’apprentissage profond. L'approche innovante peut transformer la façon dont nous détectons et analysons les PTM.

L'étude a été menée par les groupes de bio-ingénierie de Matteo Dal Peraro, Chan Cao et Hilal Lashuel de la Faculté des sciences de la vie de l'EPFL et est publiée dans ACS Nano. .

La nouvelle méthode se concentre sur l’utilisation d’un nanopore biologique, en particulier l’aérolysine, une toxine porogène, pour détecter et distinguer les peptides, les éléments constitutifs des protéines, avec différents PTM. Le groupe de Dal Peraro a déjà travaillé avec des nanopores à base d'aérolysine pour fabriquer des capteurs haute résolution de molécules complexes et même lire des données codées dans des macromolécules synthétiques. Cette technologie nanopore est suffisamment sensible pour détecter ces peptides à des concentrations picomolaires, une amélioration significative par rapport aux techniques existantes.

Mais comment fonctionne la méthode ? Lorsque les peptides traversent le nanopore, ils provoquent des changements caractéristiques dans le flux d'ions à travers le nanopore, ce que l'on appelle le « courant ionique ». Chaque type de PTM modifie la structure du peptide d'une manière unique, conduisant à des signatures distinctes de courants ; en enregistrant ces changements de courant, la méthode peut identifier et différencier les différents PTM sur les peptides.

Ce qui rend cette approche encore plus remarquable, c'est qu'elle utilise ensuite des algorithmes d'apprentissage en profondeur pour analyser les données complexes et classer avec précision les peptides en fonction de leurs modèles PTM. Le modèle peut identifier en toute confiance les signatures actuelles caractéristiques des peptides et de leurs variantes PTM, offrant ainsi un moyen rapide, automatique et très précis de les classer.

Pour tester cette approche, les chercheurs se sont tournés vers l'expertise de Lashuel, dont le laboratoire a été pionnier dans le développement d'approches de biologie synthétique et chimique pour étudier le rôle des maladies neurodégénératives PTM. "Nous avons démontré que nous pouvons exploiter le pouvoir de détection de notre nanopore pour détecter et discriminer diverses formes PTM d'alpha-synucléine, l'un des biomarqueurs et cibles les plus recherchés pour le développement de thérapies pour traiter la maladie de Parkinson", explique Chan Cao, responsable de l'étude. auteur.

Les scientifiques ont montré avec succès que la méthode des nanopores pouvait détecter et différencier les protéines alpha-synucléine avec un ou plusieurs PTM, tels que la phosphorylation, la nitration et l'oxydation. "Cette capacité à identifier plusieurs modifications simultanément change la donne", déclare Lashuel. "Cela permet une cartographie plus précise du code PTM des protéines au niveau d'une molécule unique et pourrait ainsi aider à découvrir de nouvelles informations sur l'interaction complexe et la dynamique des PTM dans les processus pathologiques et leur potentiel en tant que biomarqueurs de maladies."

Cette combinaison de détection de nanopores et d’analyse avancée de données ouvre de nouvelles possibilités pour comprendre les modifications des protéines à un niveau de détail auparavant inaccessible. La technologie Nanopore peut non seulement être utilisée pour la détection PTM, mais également pour la découverte et le diagnostic de biomarqueurs.

"Nous avons donné une première preuve de principe selon laquelle cette approche peut être utilisée pour détecter ces biomarqueurs dans un mime d'un échantillon clinique, ouvrant ainsi la voie au développement d'outils de diagnostic à molécule unique pour la maladie de Parkinson", explique Dal Peraro. L'équipe envisage que la méthode pourrait être développée en un dispositif de diagnostic portable, offrant un outil rapide, rentable et très sensible pour un usage médical et commercial.

Plus d'informations : Chan Cao et al, Détection d'une molécule unique assistée par apprentissage profond des modifications post-traductionnelles des protéines avec un nanopore biologique, ACS Nano (2023). DOI :10.1021/acsnano.3c08623

Informations sur le journal : ACS Nano

Fourni par l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne