Les enzymes ont le potentiel de transformer l’industrie chimique en fournissant des alternatives vertes à une multitude de processus. Ces protéines agissent comme des catalyseurs biologiques et, avec l’aide de l’ingénierie moléculaire, elles peuvent faire passer les réactions naturelles en mode turbo. Des enzymes sur mesure pourraient, par exemple, conduire à la fabrication de médicaments non polluants ; ils pourraient également décomposer en toute sécurité les polluants, les eaux usées et les déchets agricoles, puis les transformer en biocarburant ou en aliments pour animaux.
Une nouvelle étude de l’Institut Weizmann des sciences, publiée aujourd’hui dans La science, rapproche cette vision de la réalité. Dans leur rapport, les chercheurs, dirigés par le professeur Sarel Fleishman du département des sciences biomoléculaires, dévoilent une méthode informatique pour concevoir des milliers d’enzymes actives différentes avec une efficacité sans précédent en les assemblant à partir de blocs de construction modulaires conçus.
Les biochimistes conçoivent généralement de nouvelles enzymes en modifiant au hasard l’ADN de ceux qui existent naturellement et en criblant les variants résultants pour une activité souhaitée, un processus qui peut prendre extrêmement de temps. L’équipe de Fleishman a eu l’idée de générer un grand nombre d’enzymes très diverses en décomposant les enzymes naturelles en fragments constitutifs qui peuvent ensuite être modifiés et recombinés de diverses manières.
L’inspiration de cette nouvelle approche est venue de l’intérieur : notre système immunitaire, qui est capable de fabriquer des milliards d’anticorps différents – des protéines qui, en principe, peuvent contrer n’importe quel micro-organisme nocif – uniquement à partir des éléments dictés par un nombre relativement restreint de gènes. « Les anticorps sont la seule famille de protéines dans la nature connue pour être générée de manière modulaire », explique Fleishman. « Leur grande diversité est obtenue en recombinant des fragments génétiques préexistants, de la même manière qu’un nouveau type d’appareil électronique est assemblé à partir de transistors et d’unités de traitement préexistants. »
Des enzymes pourraient-elles être générées, comme des anticorps, à partir de fragments modulaires conçus en laboratoire qui se combinent en structures plus grandes ?
Une vidéo d’animation illustre comment des fragments d’enzymes modulaires (surlignés) s’associent dans le cadre de la méthode CADENZ de l’Institut Weizmann, qui peut générer un nombre inégalé d’enzymes actives susceptibles de conduire à des processus industriels plus écologiques. Crédit : Institut Weizmann des sciences
Rosalie Lipsh-Sokolik, titulaire d’un doctorat. étudiant qui a dirigé l’étude dans le laboratoire de Fleishman, a commencé à expérimenter une famille de plusieurs dizaines d’enzymes qui décomposent le xylane, un composant commun des parois cellulaires des plantes. « Si nous parvenons à stimuler l’activité de ces enzymes, elles pourraient être utilisées pour décomposer des composés végétaux tels que le xylane et la cellulose en sucres, qui à leur tour peuvent aider à générer des biocarburants », explique Lipsh-Sokolik. « Au lieu d’éliminer les déchets agricoles, par exemple, nous devrions pouvoir les transformer en source d’énergie. »
Lipsh-Sokolik a développé un algorithme qui utilise des calculs de conception de protéines basés sur la physique avec un nouveau modèle d’apprentissage automatique. L’algorithme a décomposé chacune des différentes variantes des séquences d’enzymes cassant le xylane en plusieurs fragments, puis a introduit des dizaines de mutations dans ces morceaux, le tout de manière à maximiser la compatibilité potentielle des différents bits. Il a ensuite assemblé des fragments en différentes combinaisons et sélectionné le million de séquences d’enzymes codées jugées stables.
La prochaine étape pour Lipsh-Sokolik et ses collègues était de synthétiser un million d’enzymes réelles à partir de ces modèles informatiques et de les tester en laboratoire. À leur grande surprise, 3 000 ont été confirmés actifs. « La première fois que nous avons regardé les résultats expérimentaux, nous avons été étonnés », dit Fleishman. « Le taux de réussite de 0,3 % n’est pas élevé, mais le nombre d’enzymes actives différentes que nous avons obtenues était stupéfiant. Dans les études typiques de conception et d’ingénierie des protéines, vous voyez peut-être une douzaine d’enzymes actives. »
Armés d’un vaste répertoire d’enzymes, les chercheurs ont ensuite posé une question clé qui intéresse les chercheurs en protéines : quelles caractéristiques moléculaires distinguent les enzymes actives des inactives ?
À l’aide d’outils d’apprentissage automatique, Lipsh-Sokolik a examiné une centaine de caractéristiques qui caractérisent les enzymes et a utilisé les dix plus prometteuses pour créer un prédicteur d’activité. Lorsqu’elle a incorporé ce prédicteur d’activité dans son algorithme et a répété l’expérience de conception avec les enzymes cassant le xylane, ce répertoire de deuxième génération comptait jusqu’à 9 000 enzymes qui décomposaient le xylane et 3 000 autres qui pouvaient décomposer la cellulose, totalisant un total de 12 000 enzymes actives.
Il s’agissait d’un taux de réussite multiplié par dix par rapport à l’expérience initiale, et d’un exploit sans précédent dans l’histoire de la conception de protéines : l’équipe a réussi, en une seule expérience, à concevoir plus d’enzymes potentiellement actives que les méthodes standard ne pouvaient en produire en une décennie.
De plus, les milliers de ces variantes actives étaient exceptionnellement diverses en termes de séquence et de structure, ce qui suggère qu’elles peuvent remplir une grande variété de nouvelles fonctions.
« Lorsque vous pouvez créer des enzymes avec des niveaux d’activité aussi élevés en utilisant une méthode entièrement automatisée dont vous savez maintenant qu’elle est également incroyablement fiable, c’est une très bonne nouvelle », déclare Lipsh-Sokolik.
Fleishman dit que la nouvelle méthode de Weizmann, que les scientifiques appellent CADENZ – abréviation de Combinatorial Assembly and Design of Enzymes – peut, en théorie, être appliquée à n’importe quelle famille de protéines. Son équipe explore déjà ses applications à la génération de nouveaux anticorps améliorés ou à la création de variants des protéines fluorescentes largement utilisées comme marqueurs en biologie.
« L’un de mes objectifs est de changer la façon dont les gens fabriquent des enzymes, des anticorps et d’autres protéines », déclare Fleishman. « L’ingénierie des protéines devient un élément central de l’économie et de la santé publique : les enzymes industrielles sont des protéines ; les anticorps et les vaccins sont également des protéines. Nous devons être capables de les optimiser et d’en générer de nouveaux de manière robuste et fiable. »
Plus d’information:
R. Lipsh-Sokolik et al, Assemblage combinatoire et conception d’enzymes, La science (2023). DOI : 10.1126/science.ade9434