Si le Guinness World Records avait une catégorie pour la plus grande protéine conçue par l’homme, alors une équipe de chimistes de Vanderbilt viendrait de la revendiquer.
Ils ont conçu et synthétisé avec succès une variante d’une protéine que la nature utilise pour fabriquer l’acide aminé essentiel histidine. Elle est plus de deux fois plus grande que le détenteur du précédent record, une protéine créée par des chercheurs de l’Université de Washington en 2003.
La protéine synthétique, désignée FLR, valide une nouvelle approche que les scientifiques de Vanderbilt ont développée et qui leur permet de concevoir des protéines artificielles fonctionnelles nettement plus grandes que ce qui était possible auparavant.
« Nous avons maintenant les algorithmes dont nous avons besoin pour concevoir de grandes protéines avec des formes que vous ne voyez pas dans la nature. Cela nous donne les outils dont nous avons besoin pour créer de nouveaux anticorps plus efficaces et d’autres protéines bénéfiques », a déclaré Jens Meiler, le professeur associé de chimie à Vanderbilt qui a dirigé l’effort.
Récemment, les ingénieurs en protéines ont vérifié une stratégie potentielle de traitement du VIH en utilisant des vaccins protéiques conçus chez les souris et ont conçu des protéines artificielles qui imitent les anticorps en neutralisant largement les infections de la grippe. La technique développée à Vanderbilt promet d’élargir considérablement la portée de ces efforts.
Ceci est important car les protéines sont les molécules les plus importantes des cellules vivantes. Elles effectuent la plupart des tâches vitales qui ont lieu dans un organisme vivant. Il existe des centaines de milliers de protéines différentes. Elles ont des formes et des tailles très variées. Elles peuvent être rondes ou longues et fines, rigides ou flexibles. Mais elles sont toutes constituées de chaînes linéaires de 20 acides aminés codés dans le génome de l’organisme.
Les protéines prennent cette variété de formes et de tailles par la manière dont elles se regroupent et se plient. Ce processus complexe se déroule en deux étapes. Tout d’abord, de petits nombres d’acides aminés adjacents forment ce que les scientifiques appellent des structures secondaires : les plus courantes sont une forme spiralée en forme de tige appelée l’hélice alpha et une forme plate et plissée appelée le feuillet bêta. Ces structures secondaires, à leur tour, interagissent, se plient et s’enroulent pour former la forme tridimensionnelle de la protéine, qui est la clé de sa fonction.
Au cours des 10 dernières années, un nombre croissant de protéines qui n’existent pas dans la nature ont été conçues « in silico » (dans un ordinateur). Les scientifiques utilisent des logiciels sophistiqués de modélisation des protéines qui intègrent les lois pertinentes de la physique et de la chimie pour trouver des séquences d’acides aminés qui se replient dans des formes stables et ont des fonctions spécifiques.
Imaginez faire un collier de 10 perles de long avec des perles de 20 couleurs différentes. Il y a plus de 10 trillions de combinaisons différentes parmi lesquelles choisir. Cela donne une idée de la complexité de la conception de nouvelles protéines. Pour une protéine d’une taille donnée, le logiciel de modélisation crée des millions de versions en plaçant chaque acide aminé dans chaque position et en évaluant la stabilité de la molécule résultante. Cela nécessite une énorme puissance de calcul qui monte en flèche à mesure que la longueur de la protéine augmente.
« La limite actuelle de cette approche, même en utilisant les superordinateurs les plus rapides, est d’environ 120 acides aminés », a déclaré Meiler. Le précédent détenteur du record contenait 106 acides aminés. La protéine nouvellement conçue contient 242 acides aminés. Le groupe de Vanderbilt a contourné cette limite en modifiant la plateforme d’ingénierie des protéines largement utilisée, appelée ROSETTA, afin qu’elle puisse intégrer la symétrie dans le processus de conception.
Leur succès apporte un nouveau soutien à une théorie controversée sur l’évolution des protéines, appelée hypothèse de la duplication et de la fusion des gènes. L’avantage des petites protéines est qu’elles peuvent évoluer rapidement en réponse à des conditions changeantes, mais les protéines plus grandes peuvent remplir des fonctions plus complexes. La nature a trouvé un moyen d’obtenir ces deux avantages en sélectionnant de petites protéines qui peuvent interagir avec d’autres copies d’elles-mêmes pour former des protéines plus grandes, appelées dimères. Une fois que des dimères utiles ont été créés, le gène qui codait pour la protéine d’origine est dupliqué et fusionné pour former un nouveau gène capable de produire directement le dimère. Après sa création, le gène du dimère est progressivement modifié par la sélection naturelle pour le rendre plus efficace ou développer de nouvelles fonctions.
Parce qu’ils ont deux moitiés identiques, les dimères ont un grand degré de symétrie. En prenant en compte ces symétries, le groupe de Vanderbilt a pu réduire considérablement le temps de calcul nécessaire à la création de la protéine FLR. En utilisant 400 processeurs du superordinateur du Centre de calcul avancé pour la recherche et l’éducation de Vanderbilt, il a fallu 10 jours de traitement continu pour trouver la configuration la plus stable.
Pour vérifier l’exactitude de leur conception, les chercheurs ont synthétisé la séquence d’ADN qui produit la protéine, l’ont insérée dans des bactéries E.coli et ont déterminé qu’ils produisaient la protéine et qu’elle se repliait correctement.
La protéine FLR adopte une forme tridimensionnelle appelée barillet TIM, que l’on retrouve dans 10 % des protéines et qui est particulièrement répandue parmi les enzymes. Elle est formée de huit brins bêta qui sont entourés de huit hélices alpha disposées en forme hexagonale comme un petit baril.
L’article rapportant cette réalisation apparaît dans le numéro du 16 novembre du Journal of American Chemical Society et est disponible en ligne. Les membres de l’équipe de Meiler sont l’assistante de recherche Carie Fortenberry, les étudiants de premier cycle Elizabeth Bowman, Will Proffitt et Brent Dorr et les professeurs assistants de recherche en biochimie Joel Harp et Laura Mizoue. La recherche a été soutenue par des subventions du projet de conception de protéines de la Defense Advanced Research Projects Agency et de la National Science Foundation.