Dans cette interview réalisée à Pittcon 2023 à Philadelphie, en Pennsylvanie, nous avons parlé à Philip Bevilacqua de la Pennsylvania State University du monde de la chimie de l’ARN.
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Pouvez-vous vous présenter et nous parler un peu de vos activités actuelles ?
Je suis Phil Bevilacqua, professeur de chimie, biochimie et biologie moléculaire à la Penn State University. J’y suis également chef de service. Mes recherches portent sur le domaine général de la chimie de l’ARN et de la biologie de l’ARN.
Comment notre intérêt et notre compréhension de l’ARN ont-ils changé au cours des dix dernières années ?
J’ai travaillé dans le domaine de l’ARN pendant plus de 25 ans, depuis mes études supérieures jusqu’à ma carrière indépendante. Toute cette expérience a été super excitante.
Les dix dernières années, en particulier, ont vu une véritable explosion dans notre compréhension de l’importance de l’ARN et de la biologie à partir des micro-ARN et de CRISPR pour l’édition de gènes, qui ont tous deux remporté des prix Nobel.
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La pandémie a également été une période vraiment incroyable pour l’ARN car le virus SARS-CoV-2 est un virus à ARN et les vaccins ont été fabriqués à partir d’ARNm.
Qu’est-ce qu’un tautomère et comment est-il lié à la chimie de l’ARN ?
Il y a eu un énorme intérêt ces derniers temps pour les modifications de l’ARN. L’ARN est un polymère simple, très similaire à l’ADN. Il n’y a que quatre chaînes latérales différentes et deux tailles : une grande en A et G et des plus petites en C et T pour l’ADN ou C et U pour l’ARN. Ils se ressemblent relativement, il n’y a donc pas beaucoup de variation moléculaire.
Il y a également eu un intérêt accru pour les modifications covalentes de l’ARN, où l’ARN est modifié avec un groupe méthyle ou un groupe acétyle, et qui régule l’expression des gènes.
Ce sur quoi nous nous concentrons, cependant, ce sont les façons dont l’ARN peut être modifié de manière non covalente. Un exemple est celui des tautomères, où l’élément le plus petit et le plus simple – l’hydrogène – se déplace sous forme de protons ou de transfert de protons. Bien que cela puisse ne pas sembler si important, c’est essentiel car cela peut modifier la spécificité d’appariement des bases et replier les ARN.
Quelles sont les méthodes habituelles que vous utiliseriez pour étudier ces tautomères d’ARN ?
Il existe deux grandes approches que nous pouvons utiliser pour étudier l’ARN. L’une concerne les approches informatiques, où nous examinons les bases de données soumises de structures d’ARN, et nous analysons celles-ci sur l’ordinateur ou effectuons des simulations avec des champs de force comme la dynamique moléculaire ou même la mécanique quantique. L’autre approche est purement expérimentale, où nous allons dans le laboratoire et essayons de mesurer les différences.
Mon laboratoire est principalement expérimental, bien que nous utilisions certains aspects informatiques. Ces expériences pourraient examiner comment les bases réagissent avec de petites molécules réactives.
Nous menons également des investigations à l’aide de différents types de spectroscopies, telles que le rayonnement électromagnétique. Nous pouvons également obtenir des informations de cette façon.
Quels sont les avantages de combiner ces expériences informatiques et de laboratoire humide pour étudier la tautomérie de l’ARN ?
La chimie computationnelle a parcouru un tel chemin au cours des 25 dernières années, et il y a environ cinq ans, le domaine a également reçu un prix Nobel de chimie pour le développement de méthodes computationnelles. Cela signifie que nous sommes maintenant en mesure d’étudier des problèmes qui sont extrêmement difficiles, voire impossibles, à faire expérimentalement.
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En utilisant des méthodes de calcul, nous pouvons déplacer les hydrogènes, par exemple, pour déterminer initialement ceux qui sont les plus susceptibles d’être peuplés. Nous pouvons ensuite passer aux expériences physiques pour observer comment cela se passe réellement. Ce mariage de deux méthodes renforce finalement nos enquêtes et nos résultats d’enquête.
Quels défis avez-vous rencontrés vous-même ou avez-vous rencontrés sur le terrain lors de l’étude de ces molécules d’ARN ?
L’ARN n’est pas une molécule particulièrement stable et travailler avec lui en laboratoire est toujours difficile. Par exemple, les enzymes à l’intérieur d’une cellule, ou les lysats cellulaires, peuvent dégrader l’ARN. Par conséquent, de nombreuses précautions doivent être prises lorsque l’on travaille avec de l’ARN pour mener à bien ces types d’expériences.
Pourquoi est-il si avantageux d’élargir notre compréhension de la chimie de l’ARN, en particulier dans le contexte de la compréhension de l’évolution des systèmes biologiques au fil du temps ?
La recherche fondamentale axée sur la curiosité sera toujours très importante. Par exemple, comprendre comment l’ARN, une molécule simple avec seulement quatre chaînes latérales, améliore sa diversité. Cette information est essentielle à de nombreux problèmes pratiques, tels que les maladies humaines, le cancer, etc., pour nous permettre de mieux comprendre comment l’ARN pourrait se replier et comment cela pourrait modifier l’expression des gènes.
Il est alors important d’examiner comment cela peut être ciblé avec de petites molécules thérapeutiques. Presque tous les médicaments conventionnels ciblent les protéines. Il n’y en a que très peu qui ciblent l’ARN et ceux qui ont tendance à cibler l’ARN ribosomal.
La majeure partie du génome est transcrite en ARN mais pas traduite en protéines. Cependant, il existe un grand nombre de molécules médicamenteuses dans l’ARN, et ce serait révolutionnaire si nous pouvions comprendre comment faire cela. L’une de nos conférencières, Amanda Hargrove, s’est concentrée sur cet aspect particulier dans son discours à Pittcon 2023.
Dans quel travail passionnant êtes-vous actuellement impliqué ?
L’ARN a été une partie importante de ma carrière, et mon équipe et moi essayons de déterminer si l’ARN adopte différents états tautomères ou états chargés qui ne sont pas toujours neutres, de sorte que les bases peuvent capter un proton et devenir chargées positivement ou en laisser tomber un et devenir chargé négativement.
Ce que nous avons développé au cours de la dernière décennie ici à Penn State avec un certain nombre de collègues, en particulier Sally Assmann du département de biologie, ce sont des moyens d’utiliser les technologies de séquençage de nouvelle génération pour étudier la réactivité de l’ARN.
Dans un transcriptome entier, il peut y avoir des dizaines ou des centaines de millions de bases différentes, et nous utilisons de nouvelles technologies pour augmenter nos chances de trouver ces états rares mais vraiment importants.
Quels sont les avantages d’assister à des événements en face à face ?
Les interactions et les liens entre les gens sont beaucoup plus forts en personne ; cet échange d’idées et le développement de nouvelles collaborations, je pense, ne se produisent que lorsque les gens sont face à face.
Qu’attendez-vous le plus pour Pittcon à San Diego l’année prochaine?
L’une des choses passionnantes à propos de Pittcon est de voir toutes les nouvelles technologies et instruments. Je dirais dans mes recherches qu’il s’agit d’environ 50 % de développement technologique et de 50 % d’application à des problèmes biologiques. Par conséquent, il est toujours excitant de voir cet aspect des choses.
À propos de Philippe Bevilacqua
Philip C. Bevilacqua est professeur émérite de chimie et de biochimie et biologie moléculaire à la Pennsylvania State University, où il dirige également le département de chimie. Ses intérêts de recherche portent sur la compréhension des rôles du repliement de l’ARN et de la catalyse en biologie. Bevilacqua a obtenu son BS en chimie avec une mineure en physique de l’Université John Carroll en 1987 et son doctorat. en chimie physique de l’Université de Rochester en 1993. Il a terminé ses recherches postdoctorales à l’Université du Colorado, Boulder, sous la direction du professeur Thomas R. Cech. Bevilacqua a reçu plusieurs prix et distinctions tout au long de sa carrière, notamment la bourse postdoctorale Jane Coffin Childs, la bourse de la Fondation Alfred P. Sloan, le prix CI Noll pour l’excellence en enseignement et la médaille Penn State Faculty Scholar en sciences physiques. Il est également membre de l’Association américaine pour l’avancement des sciences (AAAS) et membre Kavli de la National Academy of Sciences. Bevilacqua a publié de nombreux articles, avec un total de 196 publications et un indice H de 51 (Web of Science) et 60 (Google Scholar). Il a donné 160 conférences invitées dans des universités et des réunions et a co-organisé plusieurs réunions nationales. Bevilacqua est membre de diverses sociétés professionnelles, dont l’AAAS, l’American Chemical Society et la RNA Society, où il siège au comité de rédaction.
À propos de Pitcon
Pittcon est la plus grande conférence et exposition annuelle de premier plan au monde sur la science de laboratoire. Pittcon attire plus de 16 000 participants de l’industrie, du milieu universitaire et du gouvernement de plus de 90 pays à travers le monde.
Leur mission est de parrainer et de soutenir des activités éducatives et caritatives pour l’avancement et le bénéfice de l’effort scientifique.
Le public cible de Pittcon n’est pas seulement les « chimistes analytiques », mais tous les scientifiques de laboratoire – toute personne qui identifie, quantifie, analyse ou teste les propriétés chimiques ou biologiques de composés ou de molécules, ou qui gère ces scientifiques de laboratoire.
S’étant développé au-delà de ses racines dans la chimie analytique et la spectroscopie, Pittcon est devenu un événement qui dessert désormais également un public diversifié englobant les sciences de la vie, la découverte pharmaceutique et l’assurance qualité, la sécurité alimentaire, l’environnement, le bioterrorisme et d’autres marchés émergents.
