Enzymes construites à partir de zéro

Dans un grand pas en avant pour la conception informatique de protéines, les scientifiques ont construit à partir de zéro une poignée d'enzymes qui catalysent avec succès une réaction chimique spécifique. Ces protéines n'ont pas d'homologues naturels et la réaction - qui décompose un produit chimique artificiel - n'a pas de catalyseur naturel.

Catalyseur de créativité : Les chercheurs ont développé une technique informatique pour construire des enzymes à partir de zéro. Une enzyme appelée rétro-aldolase, dont une partie est illustrée ci-dessus, a été conçue pour rompre les liaisons carbone-carbone dans un substrat chimique non naturel (modèle de bâton jaune et blanc). Le maillage gris est le site actif de l'enzyme, sa géométrie soigneusement conçue pour maintenir le substrat en place. Les modèles de bâtonnets orange et vert indiquent les composants de l'enzyme qui sont particulièrement importants pour faire avancer la réaction.

Cela montre clairement que nous pouvons calculer une structure qui catalysera une réaction là où il n'y en avait pas auparavant, dit Françoise Arnold , professeur de génie chimique et de biochimie à Caltech , qui n'a pas participé à la recherche. Arnold appelle les nouvelles enzymes le Saint Graal de la conception informatique des protéines. Concevoir n'importe quelle protéine à partir de zéro est un défi de taille ; l'ingénierie d'une protéine qui peut effectuer une fonction donnée nécessite beaucoup plus de sophistication.

David Boulanger et ses collègues du Université de Washington axé sur une réaction qui briserait certaines liaisons entre les atomes de carbone. La capacité de concevoir des enzymes capables de rompre et de créer des liaisons carbone-carbone pourrait potentiellement permettre aux scientifiques de décomposer les toxines environnementales, de fabriquer des médicaments et de créer de nouveaux carburants.

Comme ils le rapportent dans le journal La science , Baker et son groupe ont d'abord conçu à quoi ressemblerait un site actif idéal pour la réaction. Un site actif est une poche dans une enzyme où la réaction catalysée a lieu. Pour faire son travail, un site actif doit avoir une géométrie et une composition chimique précises, adaptées à la réaction qu'il catalyse. Certains composants maintiennent en place les molécules qui réagissent, tandis que d'autres participent aux mécanismes chimiques de la réaction.

Une fois que les chercheurs ont calculé le site actif, ils ont utilisé un nouvel ensemble d'algorithmes pour modéliser les protéines qui ont un tel site. Chaque protéine conçue a été classée en fonction de sa capacité à lier les produits chimiques réactifs et à les maintenir dans la bonne position.

L'étape suivante consistait à synthétiser réellement les protéines sélectionnées. Les chercheurs ont dérivé des séquences de gènes pour 72 des enzymes conçues, commandé des extraits d'ADN contenant ces gènes et utilisé des bactéries pour transformer les gènes en protéines. Chaque protéine a ensuite été testée pour sa capacité à catalyser la réaction de rupture de la liaison carbone-carbone.

Sur les 72 protéines sélectionnées, 32 ont aidé avec succès le long de la réaction. Les protéines les plus efficaces ont accéléré la réaction à 10 000 fois la vitesse sans enzyme.

Bien que ce soit un exploit impressionnant par rapport aux tentatives précédentes de conception d'enzymes, les enzymes synthétisées sont pâles par rapport à celles qui se produisent naturellement. Ce n'est pas très bon du tout, dit Baker. Les enzymes naturelles peuvent augmenter la vitesse des réactions de beaucoup, beaucoup plus, jusqu'à un trillion de fois.

L'un de nos problèmes de recherche est de comprendre ce qui manque dans nos conceptions que les enzymes naturelles ont découvert, dit Baker. Dans des études de suivi, son groupe a adopté deux approches pour résoudre ce problème : affiner ses algorithmes informatiques et demander à la nature d'intervenir là où les chercheurs s'étaient arrêtés. En utilisant leurs enzymes minimalement fonctionnelles comme points de départ de l'évolution, les chercheurs peuvent utiliser l'évolution dirigée pour créer des catalyseurs plus efficaces.

Dans le passé, l'évolution dirigée a été une approche alternative pour créer des enzymes souhaitables. Mais Baker pense qu'il peut être utilisé en complément des approches computationnelles. La conception informatique donne aux chercheurs un moyen de construire des protéines à partir de zéro, leur permettant de concevoir des enzymes pour des réactions qui n'ont pas de contrepartie naturelle. De cette façon, nous serions libérés de la tyrannie de devoir trouver quelque chose dans la nature pour commencer, dit Arnold, dont le travail s'est fortement concentré sur l'évolution dirigée.

Mais l'évolution dirigée fournit un moyen de faire ces ajustements structurels que les algorithmes de conception informatique ne sont pas encore assez sophistiqués pour gérer. C'est en fait la vague du futur, dit Baker, car ces expériences d'évolution dirigée peuvent capturer des choses beaucoup plus subtiles que ce que nous pouvons capturer dans les calculs.

Baker n'est pas le premier groupe à s'attaquer à la conception d'enzymes computationnelles. Par exemple, le biochimiste de Caltech Steve peut , un pionnier de la conception informatique de protéines, a signalé la création d'enzymes à partir de protéines non enzymatiques existantes en 2001. Mais l'approche de Baker diffère en ce qu'elle n'utilise pas les protéines existantes comme points de départ - c'est une véritable conception de novo.

Arnold dit que les enzymes de Baker sont également plus puissantes que celles de Mayo, mais qu'il est difficile de déterminer précisément combien plus. C'est un type d'enzyme différent, donc vous ne pouvez pas vraiment comparer des pommes et des oranges, dit-elle. Mais c'est une très bonne pomme.

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