Les ribosomes (bleus, en haut à gauche) sont des nanomachines qui lisent l’ARNm (arrivant de la gauche) pour assembler une chaîne d’acides aminés (boules magenta) qui se plie en une protéine 3D compacte (en bas à droite, rose). Crédit : Adapté de l’image de la NSF
De nouvelles recherches montrent des progrès dans la programmation du ribosome pour la fabrication de divers polymères.
Des scientifiques de l’université de Californie à Berkeley, qui font partie du Center for Genetically Encoded Materials (C-GEM) de la National Science Foundation, modifient les ribosomes dans les cellules pour produire des polymères nouveaux et plus complexes. En introduisant de nouveaux éléments constitutifs pour ces polymères, ils visent à créer de nouveaux biomatériaux, enzymes et médicaments. Cela pourrait permettre la création de matériaux sans précédent, tels qu’un mélange polymère de soie d’araignée et de nylon.
Les biologistes de synthèse sont devenus de plus en plus créatifs dans l’ingénierie des levures ou des bactéries pour produire des produits chimiques utiles – des carburants aux tissus et aux médicaments – au-delà du répertoire normal des microbes.
Mais un groupe de chimistes de plusieurs universités a un objectif plus ambitieux : réoutiller les usines de fabrication de polypeptides de la cellule – les ribosomes qui transforment les acides aminés en protéines – pour générer des chaînes de polymères plus élaborées que ce qui peut actuellement être fabriqué dans une cellule ou un tube à essai.
L’entreprise de recherche de 20 millions de dollars centrée sur l’Université de Californie, Berkeley, fait maintenant état de progrès significatifs vers cet objectif, comme en témoignent trois nouveaux articles qui s’attaquent à trois obstacles majeurs : comment reprogrammer les cellules pour fournir au ribosome des blocs de construction autres que les acides aminés alpha qui composent toutes les protéines aujourd’hui ; comment prédire quels blocs de construction constituent les meilleurs substrats ; et comment modifier le ribosome pour incorporer ces nouveaux blocs de construction dans les polymères.
L’objectif ultime du Center for Genetically Encoded Materials (C-GEM) de la National Science Foundation est de rendre le système de traduction entièrement programmable, de sorte que l’introduction dans la cellule d’instructions relatives à l’ARNm et de nouveaux éléments de construction – pas les acides alpha-aminés que l’on trouve aujourd’hui – permette au ribosome de produire une variété illimitée de nouvelles chaînes moléculaires. Ces chaînes pourraient constituer la base de nouveaux biomatériaux, de nouvelles enzymes, voire de nouveaux médicaments.
Les chercheurs ont effectué des simulations de dynamique moléculaire sur un système modèle basé sur des études cryo-EM de la structure du ribosome d’E. coli. La région du ribosome représentée ici (rubans bleus et gribouillis verts) est impliquée dans la formation de liaisons entre les acides aminés ou d’autres monomères. Les ARNt (rubans rouges) délivrent de nouveaux monomères (sphères grises) à incorporer dans des polymères. Des molécules d’eau (rouge) et des ions (bleu) entourent la structure. Crédit : Watson et al, Nature Chemistry
Ces articles, publiés dans les revues Nature Chemistry et ACS Central Science, constituent le début d’un manuel de réingénierie de la machinerie synthétique cellulaire pour produire des polymères jamais vus, y compris des bio-polymères et des polymères circulaires, appelés macrocycles peptidiques, avec des applications prédéterminées ou totalement imprévues.
« Le C-GEM travaille à la biosynthèse de molécules qui n’ont jamais été fabriquées dans une cellule et qui sont conçues pour avoir des propriétés uniques. Ces outils pourraient être utilisés par les chimistes des polymères, les chimistes médicinaux et les spécialistes des biomatériaux pour créer des matériaux sur mesure dotés de nouvelles fonctions », a déclaré la directrice du C-GEM, Alanna Schepartz, titulaire de la chaire de chimie T.Z. et Irmgard Chu et professeur de biologie moléculaire et cellulaire à l’université de Berkeley. « L’objectif ultime est d’élargir la fonction et la polyvalence des protéines et des polypeptides, en tant que matériaux et produits pharmaceutiques.
Un exemple, dit-elle, serait de programmer le ribosome pour synthétiser un polymère qui serait un croisement entre la soie d’araignée – l’une des protéines naturelles les plus résistantes – et le nylon, un polymère aujourd’hui fabriqué dans des chambres de réaction chimique. Alors que la soie d’araignée peut désormais être fabriquée par des microbes génétiquement modifiés, la technologie développée par le C-GEM pourrait permettre à des microbes similaires de fabriquer une variété infinie de polymères mélangeant les éléments constitutifs de la soie et du nylon, tous nouveaux pour les chimistes et dotés de propriétés uniques. Cette technologie pourrait également être utilisée pour fabriquer des polymères semblables à des protéines, plus résistants à la chaleur que les protéines naturelles.
Un aspect important d’un ribosome programmable capable de synthétiser des polymères est qu’il permet aux chercheurs de faire évoluer les polymères pour perfectionner leur activité, tout comme les protéines ont évolué au cours de centaines de millions d’années pour améliorer la condition physique des cellules et des organismes.
« Les polymères protéiques évoluent sur la planète depuis des milliards d’années, mais leur nature est limitée parce que les éléments constitutifs sont les mêmes 20 acides aminés », explique Jamie Cate, professeur de chimie et de biologie moléculaire et cellulaire à l’université de Berkeley. « Si nous parvenons à mettre au point un système permettant d’appliquer l’évolution à ces nouveaux polymères, il s’agira alors d’une plate-forme que toute personne ayant une idée créative pourra utiliser pour faire évoluer un polymère vers ce qu’elle souhaite.
Un tel système s’appuie sur l’évolution dirigée des enzymes protéiques pour laquelle Frances Arnold, une ancienne élève de l’UC Berkeley, a reçu le prix Nobel de chimie en 2018.
« Il s’agit d’une étape supplémentaire par rapport à ce qu’a fait Frances Arnold en développant l’évolution dirigée », a déclaré M. Cate. « Elle a développé l’évolution dirigée pour les protéines. Ce que nous essayons de faire, c’est de mettre en place un moyen de le faire pour des polymères qui n’ont jamais évolué dans la nature. »
Ingénierie d’un ribosome entièrement nouveau
Dans toutes les cellules, les protéines sont assemblées par une nanomachine, le ribosome, qui reçoit des instructions d’une molécule d’ARN appelée ARN messager (ARNm) – l’ARNm s’apparente à une copie de travail du code ADN d’un gène – et lit ces instructions pour assembler une protéine, acide aminé par acide aminé. Étonnamment, la chaîne protéique linéaire se replie presque toujours en une structure 3D bien définie, prête à remplir sa fonction évoluée : enzyme catalysant des réactions dans la cellule, composant structurel de la cellule ou régulateur d’autres activités cellulaires.
Il y a dix ans, le réoutillage de cette nanomachine complexe semblait impossible. Mais la ténacité de M. Schepartz, qui a insisté pour qu’un projet soit mis sur pied afin d’atteindre cet objectif, a donné naissance au C-GEM, dont le premier cycle de financement quinquennal a débuté il y a trois ans.
L’un des objectifs du centre est de fournir au ribosome des éléments de construction – appelés monomères – autres que les acides aminés alpha. Pour atteindre cet objectif, l’équipe du C-GEM s’est concentrée sur les enzymes qui chargent les monomères d’acides aminés sur l’ARN de transfert (ARNt), les molécules qui transportent les acides aminés vers le ribosome. Chaque ARNt est doté d’un code-barres qui indique lequel des 20 acides aminés il transporte.
Comme l’indique un article de Nature Chemistry publié le 1er juin et cosigné par Schepartz et les étudiants diplômés Riley Fricke et Cameron Swenson, l’équipe a découvert qu’une famille de synthétases d’ARNt pouvait charger l’ARNt de quatre acides aminés non alpha différents. L’un d’entre eux est un élément constitutif de divers polykétides thérapeutiques, dont les antibiotiques érythromycine et tétracycline.
« Nous avons identifié des enzymes qui chargent les ARNt avec des monomères dont la structure diffère de tout ce qui a été chargé sur un ARNt auparavant », a déclaré Schepartz. « L’un des monomères est un précurseur qui pourrait être utilisé pour assembler des molécules de type polykétide. Depuis des décennies, les scientifiques tentent de réorganiser les modules de la polykétide synthase afin de générer des bibliothèques de produits naturels. Ces études nous en ont appris beaucoup sur la sophistication de ces modules, mais la partie ingénierie a été très difficile. »
Les nouveaux monomères ont été acceptés par le ribosome natif de la bactérie E. coli, ce qui prouve qu’il est possible d’incorporer différents types de chimies dans le polymère protéique normalement constitué uniquement d’acides aminés.
« La résistance aux antibiotiques est un problème énorme », a-t-elle ajouté. « Si nous pouvions contribuer à résoudre ce problème en générant de nouvelles molécules dont les fonctions codent pour des modes d’action uniques, ce serait une énorme contribution.
Dans un second article, publié le 30 mai dans ACS Central Science, l’auteur principal et postdoctorant Chandrima Mujumdar, ainsi que Cate et Schepartz, ont utilisé la microscopie électronique cryogénique (cryo-EM) pour obtenir des structures détaillées de trois monomères apparentés – aucun d’entre eux n’étant un acide alpha-aminé – liés au ribosome d’E. coli. Les détails montrent comment ces monomères se lient – quoique beaucoup plus faiblement que les acides aminés – et donnent des indications sur la manière de modifier les monomères ou le ribosome afin d’améliorer la capacité du ribosome à les utiliser pour construire de nouveaux polymères.
Dans un troisième article, paru le 12 juin dans Nature Chemistry, Cate, Schepartz et l’auteur principal Zoe Watson, chercheur postdoctoral, présentent la structure cryo-EM du ribosome d’E. coli lorsqu’il lie des acides aminés alpha normaux. Pour cet article, l’équipe a collaboré avec la société Schrödinger Inc. de San Diego, qui utilise des ordinateurs pour modéliser la liaison des protéines. Ara Abramyan, de Schrodinger, a utilisé la structure cryo-EM comme point de départ pour effectuer des simulations métadynamiques afin de comprendre quels monomères non naturels réagiront dans le centre catalytique du ribosome – le centre de la peptidyl transférase (PTC) – et lesquels ne le feront pas.
Schepartz et Cate ont souligné que toutes ces modifications du système ribosomique doivent fonctionner à l’intérieur d’une cellule vivante indépendamment des ribosomes normaux afin que la production de nouveaux polymères n’interfère pas avec la production quotidienne de protéines nécessaire à la vie.
« Nous voulons des enzymes – des synthétases – et des ribosomes qui pourraient être utilisés dans une cellule, car c’est ainsi que ce travail sera évolutif », a déclaré M. Schepartz. « Cet objectif nécessite des ribosomes robustes, de grandes enzymes et une grande compréhension de la chimie du fonctionnement de ces machines moléculaires complexes. C’est un problème difficile, mais très amusant. Et nous avons l’occasion d’exposer des étudiants et des postdocs à des travaux scientifiques de grande qualité.
Références :
« Expanding the substrate scope of pyrrolysyl-transfer RNA synthetase enzymes to include non-α-amino acids in vitro and in vivo » par Riley Fricke, Cameron V. Swenson, Leah Tang Roe, Noah Xue Hamlish, Bhavana Shah, Zhongqi Zhang, Elise Ficaretta, Omer Ad, Sarah Smaga, Christine L. Gee, Abhishek Chatterjee et Alanna Schepartz, 1er juin 2023, Nature Chemistry.
DOI: 10.1038/s41557-023-01224-y
« Atomistic simulations of the Escherichia coli ribosome provide selection criteria for translationally active substrates » par Zoe L. Watson, Isaac J. Knudson, Fred R. Ward, Scott J. Miller, Jamie H. D. Cate, Alanna Schepartz et Ara M. Abramyan, 12 juin 2023, Nature Chemistry.
DOI: 10.1038/s41557-023-01226-w
« Aminobenzoic Acid Derivatives Obstruct Induced Fit in the Catalytic Center of the Ribosome » par Chandrima Majumdar, Joshua A. Walker, Matthew B. Francis, Alanna Schepartz et Jamie H. D. Cate, 30 mai 2023, ACS Central Science.
DOI: 10.1021/acscentsci.3c00153
Parmi les auteurs figurent les chercheurs du C-GEM Matthew Francis de l’université de Berkeley, Scott Miller de l’université de Yale, Abhishek Chatterjee du Boston College, Bhavana Shah et Zhonqi Zhang d’Amgen Inc. et Sarah Smaga, directrice générale du C-GEM. Schepartz est également membre du Chan Zuckerberg Biohub et du California Institute for Quantitative Biosciences (QB3). Cate est membre de l’Innovative Genomics Institute. Schepartz et Cate sont tous deux membres du corps enseignant du Lawrence Berkeley National Laboratory.
La NSF a fourni la majeure partie du financement dans le cadre de la subvention CHE 2002182.