L’évolution dirigée permet de créer des nanoparticules

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Illustration d’un nanotube de carbone simple feuillet autour duquel est en

Illustration d’un nanotube de carbone simple feuillet autour duquel est enroulé de l’ADN (crédit: Benjamin Lambert, EPFL)

L’évolution dirigée est une technique puissante utilisée pour l’ingénierie des protéines. Des scientifiques de l’EPFL ont découvert qu’elle peut aussi être utilisée pour concevoir des nanoparticules synthétiques servant de base à des biocapteurs optiques largement utilisés en biologie, dans le développement de médicaments et même pour des diagnostics médicaux tels que la surveillance de la glycémie en temps réel.

Le prix Nobel de chimie 2018 a été attribué aux trois scientifiques qui ont mis au point la méthode qui a transformé à jamais la conception de protéines: l’évolution dirigée. Imitant l’évolution naturelle, l’évolution dirigée guide la synthèse de protéines possédant des fonctions nouvelles ou améliorées.

Tout d’abord, la protéine d’origine est mutée afin de créer une collection de variantes protéiques mutantes. Les variantes protéiques montrant des fonctions améliorées ou plus souhaitables sont sélectionnées. Ces protéines sélectionnées sont alors mutées une nouvelle fois pour créer une autre collection de variantes protéiques pour un autre cycle de sélection. Ce cycle est répété jusqu’à l’obtention d’une protéine mutée finale offrant des performances optimisées par rapport à la protéine d’origine.

À présent, des scientifiques du laboratoire d’Ardemis Boghossian à l’EPFL sont capables d’utiliser l’évolution dirigée pour produire non pas des protéines, mais des nanoparticules synthétiques. Ces nanoparticules sont employées comme biocapteurs optiques - des dispositifs minuscules qui utilisent la lumière pour détecter des molécules biologiques dans l’air, l’eau ou le sang. Les biocapteurs optiques sont largement utilisés dans la recherche biologique, pour le développement de médicaments et les diagnostics médicaux, tels que la surveillance en temps réel du taux d’insuline et de la glycémie chez les diabétiques.

«L’intérêt de l’évolution dirigée est qu’elle nous permet de concevoir une protéine sans même connaître le lien entre sa structure et sa fonction, explique le Professeur Boghossian. Et nous ne disposons même pas de cette information pour la très grande majorité des protéines.»

Son équipe a eu recours à l’évolution dirigée pour modifier les propriétés optoélectroniques des nanotubes de carbone simple feuillet avec enroulement d’ADN ( DNA-wrapped single-walled carbon nanotubes, DNA-SWCNT), qui sont des tubes d’atomes de carbone à l’échelle nano ressemblant à des feuillets de graphène enroulés et recouverts d’ADN. Lorsqu’ils détectent leur cible, les DNA-SWCNT émettent un signal optique capable de traverser des liquides biologiques complexes, tels que le sang ou l’urine.

Principe général de la technique de l’évolution dirigée appliquée aux complexes nanoparticulaires DNA-SWCNT. Le complexe de départ est un DNA-SWCNT doté d’un signal optique faible. Le complexe évolue grâce à l’évolution dirigée: (1) mutation aléatoire de la séquence d’ADN; (2) enroulement de l’ADN autour des SWCNT et examen du signal optique du complexe; (3) sélection des complexes DNA-SWCNT présentant un signal optique amélioré. Après plusieurs cycles d’évolution, nous pouvons obtenir des complexes DNA-SWCNT présentant un comportement optique amélioré. Crédit: Benjamin Lambert (EPFL)

À l’aide d’une technique d’évolution dirigée, l’équipe du Professeure Boghossian a pu concevoir de nouveaux DNA-SWCNT dotés de signaux optiques renforcés (jusqu’à 56 %) - en deux cycles d’évolution seulement.

«Dans ce domaine, la plupart des chercheurs se contentent de cribler de vastes bibliothèques de matériaux différents dans l’espoir d’en trouver un possédant les propriétés qu’ils recherchent, affirme le Professeur Boghossian. En ce qui concerne les nanocapteurs optiques, nous essayons d’améliorer des propriétés telles que la sélectivité, la luminosité et la sensibilité. En utilisant l’évolution dirigée, nous permettons aux chercheurs de concevoir ces nanocapteurs par une approche guidée.»

L’étude montre que ce qui est essentiellement une technique de bioingénierie peut être utilisée pour régler de manière plus rationnelle les propriétés optoélectroniques de certains nanomatériaux. «Certains domaines tels que la science des matériaux et la physique cherchent principalement à définir les relations entre la structure et la fonction des matériaux. De ce fait, les matériaux pour lesquels ces informations ne sont pas connues sont difficiles à concevoir,» explique la Professeure Boghossian. Mais la nature a résolu ce problème il y a des millions d’années - et, au cours des dernières décennies, les biologistes s’y sont eux aussi attaqués. Je pense que notre étude montre que nous, chercheurs et physiciens qui étudions les matériaux, avons encore quelques leçons pragmatiques à apprendre auprès des biologistes.»