Les peptides en lasso sont des produits naturels fabriqués par des bactéries. Leur forme inhabituelle en lasso leur confère une stabilité remarquable, les protégeant des conditions extrêmes. Dans une nouvelle étude, publiée dans Nature Chimie BiologieLes chercheurs ont construit et testé des modèles expliquant comment ces peptides sont fabriqués et ont démontré comment ces informations pourraient être utilisées pour faire progresser les médicaments à base de peptides Lasso vers la clinique.
Les peptides lasso sont intéressants car ce sont des molécules linéaires qui ont été liées en forme de nœud coulant. En raison de leur incroyable stabilité et de leur ingénierie, ils ont un grand potentiel thérapeutique. Il a également été démontré qu'ils avaient des propriétés antibactériennes, antivirales et anticancéreuses.
Susanna Barrett, étudiante diplômée au laboratoire Mitchell (MMG)
Les peptides lasso sont des molécules synthétisées par ribosome et modifiées post-traductionnellement. Les chaînes peptidiques sont formées en joignant des acides aminés sous forme de chaîne, ce qui est réalisé par le ribosome. Deux enzymes, une peptidase et une cyclase, collaborent ensuite pour convertir un peptide précurseur linéaire en la structure caractéristique du lasso noué. Depuis leur découverte il y a plus de trois décennies, les scientifiques tentent de comprendre comment la cyclase replie le peptide lasso.
« L’un des principaux défis à relever pour résoudre ce problème est que les enzymes sont difficiles à utiliser. Elles sont généralement insolubles ou inactives lorsque vous essayez de les purifier », a déclaré Barrett.
Un contre-exemple rare est la fusilassine cyclase, ou FusC, que le laboratoire Mitchell a caractérisée en 2019. D'anciens membres du groupe ont pu purifier l'enzyme, et depuis lors, elle sert de modèle pour comprendre le processus de nouage du lasso. Pourtant, la structure de FusC restait inconnue, ce qui rendait impossible de comprendre comment la cyclase interagit avec le peptide pour replier le nœud.
Dans l'étude actuelle, le groupe a utilisé le programme d'intelligence artificielle AlphaFold pour prédire la structure de la protéine FusC. Ils ont utilisé la structure et d'autres outils basés sur l'intelligence artificielle, comme RODEO, pour identifier les résidus du site actif de la cyclase qui étaient importants pour interagir avec le substrat peptidique du lasso.
« FusC est composé d'environ 600 acides aminés et le site actif en contient 120. Ces programmes ont été essentiels à notre projet car ils nous ont permis de faire des « études structurelles » et de déterminer quels acides aminés sont importants dans le site actif de l'enzyme », a déclaré Barrett.
Ils ont également utilisé des simulations de dynamique moléculaire pour comprendre par ordinateur comment le lasso est plié par la cyclase. « Grâce à la puissance de calcul de Folding@home, nous avons pu collecter de nombreuses données de simulation pour visualiser les interactions au niveau atomique », a déclaré Song Yin, un étudiant diplômé du laboratoire Shukla. « Avant cette étude, il n'existait aucune simulation MD des interactions entre les peptides lasso et les cyclases, et nous pensons que cette approche sera applicable à de nombreuses autres études d'ingénierie des peptides. »
Grâce à leurs efforts informatiques, les chercheurs ont découvert que parmi les différentes cyclases, la région de la paroi arrière du site actif semblait particulièrement importante pour le repliement. Dans FusC, cela correspondait à la région de l'hélice 11. Les chercheurs ont ensuite réalisé une biosynthèse acellulaire où ils ont ajouté tous les composants cellulaires nécessaires à la synthèse des peptides lasso à un tube à essai avec des variantes d'enzymes qui avaient des acides aminés différents dans la région de l'hélice 11. Finalement, ils ont identifié une version de FusC avec une mutation sur l'hélice 11 qui pouvait replier des peptides lasso qui ne pouvaient pas être fabriqués par la cyclase d'origine. Ces données confirment le modèle de repliement des peptides lasso que les chercheurs ont développé avec leurs approches informatiques.
« La manière dont les enzymes forment un nœud de lasso est une question fascinante. Cette étude donne un premier aperçu des interactions biophysiques responsables de la production de cette structure unique », a déclaré Diwakar Shukla, professeur associé de génie chimique et biomoléculaire.
« Nous avons également montré que ces contacts moléculaires sont les mêmes dans plusieurs cyclases différentes à travers différents phylums. Même si nous n'avons pas testé tous les systèmes, nous pensons qu'il s'agit d'un modèle généralisable », a déclaré Barrett.
En collaboration avec la société Lassogen, basée à San Diego, les chercheurs ont montré que les nouvelles connaissances peuvent guider l'ingénierie des cyclases pour générer des peptides lasso qui ne peuvent pas être fabriqués autrement. Pour prouver le concept, ils ont conçu une autre cyclase, appelée McjC, pour produire efficacement un puissant inhibiteur d'une intégrine favorisant le cancer.
« La capacité à générer une diversité de peptides Lasso est importante pour optimiser les médicaments », a déclaré Mark Burk, PDG de Lassogen. « Les enzymes de la nature ne nous permettent pas toujours de produire les peptides Lasso qui nous intéressent et la capacité à concevoir des cyclases Lasso élargit considérablement l'utilité thérapeutique de ces molécules étonnantes. »
« Notre travail n'aurait pas été possible sans l'accès à des outils informatiques puissants et aux avancées récentes en matière d'intelligence artificielle et de méthodes de biosynthèse sans cellules », a déclaré Douglas Mitchell, professeur de chimie John et Margaret Witt. « Ce travail est un exemple extraordinaire de la manière dont les collaborations interdisciplinaires sont catalysées à l'Institut Carl R. Woese de biologie génomique. Je suis reconnaissant au thème MMG de l'IGB et à nos collègues externes de Lassogen pour leur participation à la résolution de ce problème complexe. »
L'étude « Substrate interactions guide cyclase engineering and lasso peptide diversification » est disponible sur https://doi.org/10.1038/s41589-024-01727-w et a été financée par les National Institutes of Health, la National Science Foundation et l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. Mitchell et Burk sont les fondateurs de Lassogen.
