La lactoferrine (LF), une glycoprotéine multifonctionnelle de la famille des transferrines, est naturellement exprimée dans le lait maternel et le lait de vache. Le nom « LF » est dérivé de sa capacité à se lier au fer (ferrine, suffixe indiquant une protéine de liaison au fer).
Le LF est un composant bioactif essentiel du lait maternel et contribue à la santé et au développement du nourrisson. Les scientifiques sont fascinés par le LF depuis sa découverte dans les années 1930 en raison de ses caractéristiques biologiques uniques. Le LF joue un rôle dans la réponse immunitaire, l’activité antibactérienne et les effets anti-inflammatoires, entre autres activités biologiques.
Le LF contribue à la réponse immunitaire innée et agit comme première ligne de défense. Il perturbe efficacement l’intégrité des membranes cellulaires, limitant la multiplication bactérienne en réduisant la disponibilité du fer. Le LF exerce également une activité antivirale contre une variété de virus.
De plus, le LF interagit avec les cellules immunitaires telles que les macrophages et les lymphocytes et stimule la réponse immunitaire. Par conséquent, le LF offre une gamme diversifiée d’applications dans les secteurs alimentaire, cosmétique et pharmaceutique.
Cependant, la séparation et la purification de la LF à partir du lait présentent certaines limites, ce qui ne permet pas de répondre à la demande actuelle du marché avec ce produit. Pour surmonter ces défis, les chercheurs ont développé de nouvelles technologies permettant aux micro-organismes de synthétiser la LF par génie génétique. Grâce au développement de tels systèmes biologiques synthétiques, il est désormais plus facile d’utiliser des micro-organismes pour fabriquer de grands volumes de LF.
Dans une récente étude publié le 20 août 2024, dans Recherche BioDesignune équipe de scientifiques dirigée par le Dr Kun Liu de l’Université polytechnique d’Anhui, en Chine, a discuté de la conception et de la construction de systèmes d’expression LF, y compris les défis, les solutions et les opportunités associés.
« Le défi de l’obtention de LF pour les besoins du marché peut être surmonté en produisant de la LF à l’échelle industrielle grâce à l’utilisation de systèmes d’expression biologique synthétiques, car la structure de la LF exprimée dans ces systèmes est très similaire à celle de la LF naturelle », explique Liu.
Afin de créer les systèmes synthétiques de LF, il est important de connaître ses propriétés structurelles. LF a un poids moléculaire d’environ 80 kilodaltons et se compose d’environ 700 acides aminés. Il possède des lobes C- et N-terminaux. Le lobe N-terminal, qui est moins stable thermodynamiquement, abrite le site de liaison du fer. L’augmentation ou l’ajout de ponts disulfures supplémentaires au lobe N-terminal peut améliorer la thermostabilité de LF.
La LF est une protéine dont les atomes d’azote sont liés à des glucides par un processus appelé glycosylation N-liée. La glycosylation de la LF augmente la résistance à la dégradation enzymatique et maintient ainsi sa stabilité structurelle. Par conséquent, pour obtenir une stabilité élevée de la LF, il faut utiliser un système d’expression hôte adapté.
Dans cette étude, les chercheurs ont résumé les quatre systèmes biologiques hôtes synthétiques (bactéries, levures, moisissures filamenteuses et lignées cellulaires) permettant de produire une LF à haut rendement. Ils ont également discuté des défis et des solutions pour construire une LF à haut rendement dans ces systèmes.
Dans les systèmes hôtes bactériens, E. coli est le système biologique synthétique le plus utilisé pour la production de LF. Le système E. coli peut produire 700 mg/L de LF humaine. Cependant, il présente certaines limites.
L’activité de dégradation des protéines d’E. coli peut endommager les protéines LF, et l’hôte bactérien ne dispose pas des mécanismes nécessaires aux modifications biochimiques. De plus, les protéines LF nouvellement synthétisées peuvent nuire à l’hôte.
Par rapport au système bactérien, les levures et les moisissures sont des choix plus compétitifs. Les deux systèmes hôtes offrent une forte expression de la LF et peuvent effectuer un traitement biochimique, ce qui permet de produire une protéine LF plus stable. Cependant, le principal obstacle avec ces systèmes est que la LF nouvellement produite peut provoquer une toxicité pour les systèmes, limitant ainsi son expression.
Les chercheurs ont mis l’accent sur la réduction de la toxicité du LF pendant la fermentation afin d’augmenter l’expression des protéines. Le système hôte final, les lignées cellulaires, peut potentiellement synthétiser du LF qui est très cohérent à la fois en structure et en fonction avec le LF naturel.
Zhen Tong, premier co-auteur, explique : « Les principaux défis des systèmes de lignées cellulaires sont leurs coûts de culture élevés, leur sensibilité à la contamination et leur capacité à transporter des agents pathogènes humains. De plus, l’utilisation de lignées cellulaires dans la production de LF à grande échelle est encore limitée. »
« Il est important de repenser le mécanisme de transport de l’hôte d’expression pour assurer une sécrétion rapide de la LF produite dans l’environnement extracellulaire », explique Xuanqi Zhang, également affilié à l’Université polytechnique d’Anhui, à propos de la manière dont les défis associés aux systèmes biologiques synthétiques peuvent être surmontés. « Nous devrions également envisager d’éliminer les enzymes clés qui peuvent dégrader la LF dans l’hôte. »
En conclusion, l’utilisation de systèmes biologiques synthétiques peut contribuer à résoudre le problème de l’obtention de LF à l’échelle industrielle. En permettant la production contrôlée de LF par le biais du génie génétique et des interactions hôte-organisme, ces systèmes peuvent ouvrir la voie à des applications dans les secteurs alimentaire, pharmaceutique et autres.
Plus d’informations :
Kun Liu et al, Une revue : Développement d’un système biologique de lactoferrine synthétique, Recherche BioDesign (2024). DOI: 10.34133/bdr.0040