Des chercheurs de l’ETH Zurich ont réussi à introduire des acides aminés non naturels en grande quantité dans des bactéries. Cela permet de produire de manière très efficace de nouvelles protéines de conception. Elles peuvent être utilisées comme catalyseurs plus efficaces ou comme médicaments plus efficaces.
La vie connaît 20 éléments constitutifs d’acides aminés, à partir desquels elle compose les protéines. La limitation à 20 éléments constitutifs permet certes une grande diversité de structures et de fonctions protéiques, mais impose aussi des limites chimiques claires. En laboratoire, en revanche, les chimistes peuvent théoriquement synthétiser des milliers d’acides aminés artificiels, dont beaucoup présentent des propriétés entièrement nouvelles.
Grâce à des méthodes biotechnologiques, ces éléments artificiels peuvent être intégrés de manière ciblée dans des protéines de cellules vivantes. "Les protéines contenant des acides aminés non naturels placés de manière spécifique ouvrent de nombreuses nouvelles possibilités, tant pour les applications médicales et industrielles que pour la recherche scientifique", explique Kathrin Lang, professeur de biologie chimique à l’ETH Zurich.
De nouvelles substances actives et des enzymes performantes
Grâce aux acides aminés artificiels, de nouvelles possibilités apparaissent dans tous les domaines d’application des protéines. Les protéines thérapeutiques peuvent agir de manière plus ciblée et plus efficace grâce à des groupes chimiques supplémentaires. Les composants fluorescents ou ceux contenant des atomes tels que le chlore ou le fluor, qui ne sont normalement pas présents dans les protéines, peuvent améliorer les procédés d’imagerie en médecine et en recherche. Il est également possible de créer des enzymes dotées de nouvelles capacités de catalyse ou, grâce à des acides aminés de réticulation spécifiques, de construire des protéines qui fonctionnent efficacement même dans des conditions extérieures extrêmes comme la chaleur ou la pression. En outre, des groupes de couplage spéciaux permettent de lier des substances actives à des protéines porteuses qui transportent les médicaments de manière fiable vers les tissus malades.
Capture d’un système de transport bactérien
Jusqu’à présent, l’intégration ciblée d’acides aminés synthétiques dans les protéines est toutefois encore nettement moins efficace que la production de protéines composées uniquement des 20 acides aminés naturels. Les applications sont donc généralement restées limitées à de petites approches de recherche. Un goulot d’étranglement important : les acides aminés non naturels n’arrivent souvent qu’en très petites quantités dans les bactéries utilisées pour la production biotechnologique.
Le groupe de Lang a maintenant développé une solution qui permet d’introduire efficacement des acides aminés artificiels dans les bactéries. L’extension de la boîte à outils des acides aminés devient ainsi praticable pour une large utilisation en médecine et dans l’industrie biotechnologique. Pour ce faire, les chercheurs ont capturé un système de transport naturel de la bactérie E. coli. Ce système assure normalement le transport de courts fragments de protéines, appelés peptides, de l’environnement vers la cellule.
Ce système de transport se compose de deux unités : un canal dans la membrane cellulaire et un composant navette. Cette unité navette reconnaît les peptides de trois à quatre acides aminés et les amène au canal, qui les fait ensuite passer à l’intérieur des cellules. Là, les peptides sont décomposés en leurs différents composants d’acides aminés, qui sont ensuite mis à la disposition de la machinerie cellulaire pour la synthèse de nouvelles protéines. Comme le système doit fonctionner pour toutes les combinaisons naturelles d’acides aminés, il n’est pas très sélectif. Les peptides contenant des acides aminés artificiels sont également introduits, mais beaucoup ne le sont qu’en petites quantités ou pas du tout.
Une approche évolutive pour une liaison spécifique
Pour que le système de transport puisse également importer de grandes quantités d’acides aminés non naturels, les biochimistes de l’EPF ont utilisé deux astuces : D’une part, ils ont emballé les acides aminés non naturels dans de courts peptides synthétiques, dans lesquels ils sont entourés de composants naturels. Le transporteur laisse volontiers passer cette cargaison camouflée - c’est un cheval de Troie moléculaire.
D’autre part, les chercheurs ont également modifié de manière ciblée le composant de la navette. Pour ce faire, ils ont déterminé la structure moléculaire du site de liaison des peptides dans la navette. Ils ont ensuite modifié cette zone de manière systématique et progressive dans le cadre d’expériences, jusqu’à ce que le site de liaison soit adapté à un peptide donné avec des acides aminés artificiels.
Pour cette découpe, les chercheurs utilisent des méthodes qui imitent l’évolution biologique à grande vitesse. Grâce à ce procédé, le système de transport peut désormais être adapté sur mesure aux peptides les plus divers contenant des acides aminés non naturels. L’équipe a notamment réussi à introduire des acides aminés très encombrants ou chargés négativement, qui ne pouvaient pas être importés dans les cellules jusqu’à présent.
"Les acides aminés non naturels sont désormais disponibles en grande quantité dans les cellules E. coli les plus utilisées en biotechnologie et peuvent être intégrés efficacement dans les protéines grâce à des méthodes d’extension du code génétique", explique Tarun Iype, doctorant dans le groupe de Lang et l’un des premiers auteurs de l’étude.
"Cela permet dans de nombreux cas de produire des protéines de designer contenant des acides aminés non naturels aussi efficacement que leurs homologues naturels", ajoute Maximilian Fottner, scientifique dans le groupe de Lang et également premier auteur de l’étude. L’ETH Zurich a déposé une demande de brevet pour cette nouvelle méthode.
Elargir le système à d’autres molécules non naturelles
Actuellement, la méthode fonctionne dans des bactéries E. coli. "Nous travaillons à la construction d’un système comparable dans les cellules humaines", explique Lang. "Celui-ci permettrait de produire des protéines contenant toutes les particularités humaines, ce qui les rendrait plus adaptées aux utilisations thérapeutiques les plus diverses"
Mais les projets des biochimistes de l’ETH s’étendent aussi au-delà des acides aminés, comme le rapporte Lang : "Nous voulons continuer à développer le système de manière à pouvoir introduire dans les cellules d’autres molécules qui ne sont pas encore accessibles aux cellules" Celles-ci pourraient alors par exemple servir de substances de départ pour produire efficacement par biotechnologie des composés chimiques complexes qui ne pouvaient jusqu’à présent être synthétisés qu’au prix de grands efforts.
Bibliographie
Iype T, Fottner M, Böhm P, Piedrafita C, Möller Y, Groll M, Lang K : Hijacking a bacterial ABC transporter for genetic code expansion. Nature 2025, 647 : 1045, doi : 10.1038/s41586-025-09576-w
