Un nouvel algorithme améliore les enzymes pour les applications industrielles
Des effets de grande ampleur sur la production alimentaire sont attendus
Des scientifiques ont mis au point un prototype de nouvelle méthode d'"ingénierie rationnelle" des enzymes afin d'améliorer leurs performances. Ils ont conçu un algorithme qui tient compte de l'histoire évolutive d'une enzyme, afin de repérer les endroits où des mutations pourraient être introduites avec une forte probabilité de produire des améliorations fonctionnelles.
Leurs travaux, publiés aujourd'hui dans la revue de premier plan Nature Communications, pourraient avoir des répercussions importantes et de grande envergure dans toute une série d'industries, de la production alimentaire à la santé humaine.
Les enzymes sont au cœur de la vie et jouent un rôle essentiel dans le développement de médicaments et d'outils innovants pour relever les défis de la société. Elles ont évolué au cours de milliards d'années grâce à des changements dans la séquence d'acides aminés qui sous-tend leur structure en trois dimensions. Comme des perles sur un fil, chaque enzyme est composée d'une séquence de plusieurs centaines d'acides aminés qui codent sa forme en trois dimensions.
Comme il est possible d'avoir une des 20 "perles" d'acide aminé à chaque position, la diversité des séquences est énorme dans la nature. Une fois leur forme 3D formée, les enzymes remplissent une fonction spécifique telle que la digestion des protéines alimentaires, la conversion de l'énergie chimique en force dans les muscles et la destruction des bactéries ou des virus qui envahissent les cellules. Si vous modifiez la séquence, vous pouvez perturber la forme 3D, ce qui modifie généralement la fonctionnalité de l'enzyme, la rendant parfois complètement inefficace.
Trouver des moyens d'améliorer l'activité des enzymes serait extrêmement bénéfique pour de nombreuses applications industrielles et, grâce aux outils modernes de la biologie moléculaire, il est simple et rentable de modifier les séquences d'acides aminés pour faciliter l'amélioration de leurs performances. Toutefois, l'introduction aléatoire de seulement trois ou quatre changements dans la séquence peut entraîner une perte spectaculaire de leur activité.
Les scientifiques présentent ici une nouvelle stratégie prometteuse pour modifier rationnellement une enzyme appelée "bêta-lactamase". Au lieu d'introduire des mutations aléatoires selon une approche dispersée, les chercheurs du Broad Institute et de la Harvard Medical School ont mis au point un algorithme qui tient compte de l'histoire évolutive de l'enzyme.
"Au cœur de ce nouvel algorithme se trouve une fonction de notation qui exploite des milliers de séquences de bêta-lactamase provenant d'organismes très divers. Au lieu de quelques changements aléatoires, jusqu'à 84 mutations sur une séquence de 280 ont été générées pour améliorer les performances fonctionnelles", a déclaré le Dr Amir Khan, professeur associé à l'école de biochimie et d'immunologie du Trinity College de Dublin, l'un des coauteurs de la recherche.
"Il est frappant de constater que les enzymes nouvellement conçues ont une activité et une stabilité accrues à des températures plus élevées.
Eve Napier, étudiante en deuxième année de doctorat au Trinity College de Dublin, a déterminé la structure expérimentale en 3D d'une bêta-lactamase nouvellement conçue, à l'aide d'une méthode appelée cristallographie à rayons X.
Sa carte 3D a révélé qu'en dépit des modifications apportées à 30 % des acides aminés, la structure de l'enzyme était identique à celle de la bêta-lactamase de type sauvage. Elle a également révélé comment des modifications coordonnées des acides aminés, introduites simultanément, peuvent stabiliser efficacement la structure 3D, contrairement aux modifications individuelles qui altèrent généralement la structure de l'enzyme.
Eve Napier a déclaré : "Dans l'ensemble, ces études révèlent que les protéines peuvent être modifiées pour améliorer leur activité par des "sauts" spectaculaires dans un nouvel espace de séquence.
"Ces travaux ont des applications très variées dans l'industrie, dans les processus qui nécessitent des enzymes pour la production alimentaire, des enzymes dégradant le plastique, et dans ceux qui concernent la santé et les maladies humaines, et nous sommes donc très enthousiastes quant aux possibilités futures".
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Benjamin Fram, Yang Su, Ian Truebridge, Adam J. Riesselman, John B. Ingraham, Alessandro Passera, Eve Napier, Nicole N. Thadani, Samuel Lim, Kristen Roberts, Gurleen Kaur, Michael A. Stiffler, Debora S. Marks, Christopher D. Bahl, Amir R. Khan, Chris Sander, Nicholas P. Gauthier; "Simultaneous enhancement of multiple functional properties using evolution-informed protein design"; Nature Communications, Volume 15, 2024-6-20
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