Si les vaccins contre la COVID-19 ont permis à de nombreuses personnes de découvrir les médicaments à base d’ARN, les oligonucléotides d’ARN sont déjà sur le marché depuis des années pour traiter des maladies comme la dystrophie musculaire de Duchenne et l’amylose. Les thérapies à base d’ARN offrent de nombreux avantages par rapport aux médicaments traditionnels à petites molécules, notamment leur capacité à cibler presque tous les composants génétiques des cellules et à guider les outils d’édition génétique comme CRISPR vers leurs cibles.
Cependant, les promesses de l'ARN sont actuellement limitées par le fait que la demande mondiale en croissance rapide dépasse la capacité de l'industrie à le produire. La méthode standard de synthèse chimique de l'ARN a été inventée dans les années 1980 et nécessite un équipement spécialisé et des processus à forte intensité de main-d'œuvre. Les méthodes de synthèse chimique sont également limitées en termes de gamme de blocs de construction nucléotidiques qu'elles peuvent incorporer dans les molécules d'ARN, et elles produisent des tonnes de sous-produits chimiques toxiques qui créent des risques environnementaux et limitent la capacité de production des usines. Ces problèmes ne feront qu'augmenter à mesure que la production d'ARN augmentera en réponse à la demande.
Une équipe de scientifiques de l'Institut Wyss de l'Université Harvard et de la Harvard Medical School (HMS) a créé une solution à ce problème : un nouveau processus de synthèse d'ARN qui élargit l'espace de conception thérapeutique de l'ARN et libère le potentiel de mise à l'échelle rapide que la synthèse chimique ne peut pas atteindre. Leur nouvelle méthode peut produire de l'ARN avec des efficacités et des puretés comparables aux normes industrielles actuelles en utilisant de l'eau et des enzymes plutôt que les solvants toxiques et les catalyseurs explosifs qui entravent la fabrication actuelle. Elle peut également intégrer toutes les modifications moléculaires courantes que l'on trouve aujourd'hui dans les médicaments à base d'ARN et a le potentiel d'intégrer de nouvelles chimies d'ARN pour de nouveaux types de thérapies. Cette réalisation est décrite dans un article publié aujourd'hui dans Biotechnologie de la nature.
« À mesure que la demande de médicaments à base d’ARN continue de croître et que de nouveaux produits arrivent sur le marché, nous dépasserons l’offre mondiale actuelle d’acétonitrile, le solvant organique utilisé dans les méthodes de synthèse chimique de l’ARN. »
Jonathan Rittichier, Ph.D., co-premier auteur, ancien chercheur postdoctoral au Wyss et au HMS
Lui et Daniel Wiegand, MSCh.E., co-auteur principal et ancien chercheur scientifique de Wyss, George Church, Ph.D., membre de la faculté de Wyss Core, ainsi que d'autres, ont cofondé EnPlusOne Biosciences pour commercialiser leur technologie. « Fournir des médicaments à base d'ARN au monde à ces échelles nécessite un changement de paradigme vers une synthèse aqueuse renouvelable, et nous pensons que notre technologie enzymatique exclusive permettra ce changement. »
Une meilleure façon de faire, respectueuse de l'environnement
Dans le laboratoire de Church, Rittichier, Wiegand et le co-auteur Erkin Kuru, Ph.D., ont reconnu que l'industrie pharmaceutique était au milieu d'une révolution de l'ARN. Le laboratoire avait auparavant mis au point un moyen de synthétiser l'ADN à l'aide d'enzymes et avait émis l'hypothèse qu'il serait possible de faire la même chose pour l'ARN.
Les scientifiques ont commencé avec une enzyme provenant d’une souche de levure, Schizosaccharomyces pombequi est connu pour lier les molécules de nucléotides entre elles pour former des brins d'ARN. Ils ont conçu l'enzyme pour la rendre plus efficace et capable d'incorporer des nucléotides non standard dans l'ARN. Cela était particulièrement important pour la construction d'une plateforme de développement de médicaments utile, car chaque médicament à base d'ARN approuvé par la FDA contient des nucléotides qui ont été modifiés par rapport à leur forme d'origine pour augmenter leur stabilité dans l'organisme ou leur conférer de nouvelles fonctions.
Ils se sont ensuite concentrés sur les nucléotides eux-mêmes. Dans la synthèse chimique standard de l'ARN,
Les nucléotides sont dotés de « groupes protecteurs » : une sorte de film à bulles chimique qui empêche la molécule d'être endommagée par les conditions de réaction difficiles. Ces groupes protecteurs doivent être retirés après la synthèse pour que l'ARN puisse fonctionner, et ce processus nécessite une série supplémentaire de réactions chimiques qui peuvent endommager l'ARN au fur et à mesure de sa construction. Les conditions plus douces de la synthèse d'EnPlusOne éliminent le besoin de tout film à bulles volumineux, ce qui conduit finalement à une meilleure fabrication.
Mais même si l'enzyme a résolu un problème, elle en a introduit un autre : son activité naturelle enchaîne les nucléotides de manière incontrôlable, ce qui produit des séquences d'ARN inexactes. Pour résoudre ce problème, ils ont modifié leurs nucléotides avec un « bloqueur », un groupe chimique qui bloque l'enzyme et ne permet l'ajout que d'un nucléotide à la fois. Une fois le nucléotide souhaité ajouté, le bloqueur est retiré pour permettre au nucléotide suivant de la séquence de se lier, ce qui donne lieu à un processus en deux étapes plus simple et moins gourmand en réactifs que la méthode de synthèse chimique classique en quatre étapes.
Les chercheurs ont démontré que leur nouveau procédé incorporait des nucléotides avec une efficacité de 95 %, ce qui est comparable à la synthèse chimique. L’équipe a ensuite répété de manière itérative des cycles de synthèse enzymatique d’ARN pour construire des molécules de 10 nucléotides de longueur. Ils sont désormais capables de fabriquer régulièrement des molécules de 23 nucléotides de longueur, soit la taille de nombreuses thérapies à base d’ARN à succès.
Des molécules aux médicaments
La clé pour transformer l'ARN en médicaments utiles est de modifier ses nucléotides naturels. L'équipe a également démontré que sa méthode de synthèse enzymatique pouvait produire avec succès des brins d'ARN avec plusieurs types de nucléotides modifiés ayant la même capacité que les nucléotides naturels. « L'ARN naturel est composé de quatre lettres – A, U, C et G – mais nous pouvons étendre cet alphabet simple grâce à la biologie synthétique », a déclaré Kuru, qui est chercheur postdoctoral à HMS. « Notre processus augmente essentiellement le nombre de touches dont nous disposons sur notre « machine à écrire à ARN » pour obtenir un alphabet beaucoup plus riche que nous pouvons utiliser pour écrire des ARN avec de nouvelles fonctions et propriétés. »
Ces travaux ont servi de base à un projet de validation au Wyss Institute en 2019 et 2020, lorsqu'ils ont été dé-risqués et préparés pour la commercialisation. Également en 2020, le projet est devenu le premier à être soutenu par le partenariat du Wyss Institute avec Northpond Labs via le Laboratoire de recherche et d'innovation en bio-ingénierie, en raison de son potentiel d'impact significatif dans le monde réel. EnPlusOne Biosciences a été lancé en 2022 pour commercialiser la nouvelle approche et apporter la synthèse enzymatique d'ARN au monde. Le financement a été mené par Northpond Ventures avec la participation de Breakout Ventures et Coatue.
« Les technologies de synthèse enzymatique des nucléotides offrent de nombreux avantages en tant qu'alternative aux méthodes chimiques. Cette plateforme peut aider à exploiter l'immense potentiel des thérapies à base d'ARN de manière durable, en particulier la fabrication de molécules d'ARN guide de haute qualité pour l'édition de gènes CRISPR/Cas », a déclaré Church, co-auteur correspondant, qui est également professeur de génétique Robert Winthrop à HMS.
EnPlusOne utilise également sa plateforme pour fabriquer de petits ARN interférents (siRNA) à l’échelle du laboratoire qui pourraient être utilisés pour traiter une grande variété de maladies.
« Les médicaments à base d'ARN offrent une nouvelle approche thérapeutique puissante pour un large éventail de maladies. Cependant, les méthodes de fabrication actuelles de ces médicaments sont limitées en termes de diversité chimique qu'ils peuvent produire, de quantité de matière pouvant être produite à un coût raisonnable et de leur impact négatif sur l'environnement en raison des produits chimiques agressifs qu'ils nécessitent. L'alternative de synthèse enzymatique bioinspirée d'EnPlusOne offre un moyen de surmonter toutes ces limitations et pourrait aider l'industrie des thérapies à base d'ARN à exploser », a déclaré le directeur fondateur de Wyss, Don Ingber, MD, Ph.D. Ingber est également le Professeur de biologie vasculaire Judah Folkman au HMS et au Boston Children's Hospital, et le Professeur Hansjörg Wyss d'ingénierie bioinspirée à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) de Harvard.
Autres auteurs de la Biotechnologie de la nature Ella Meyer, Howon Lee, Nicholas J. Conway, Daniel Ahlstedt, Zeynep Yurtsever et Dominic Rainone ont participé à cet article. Lee et Ahlstedt sont également cofondateurs d'EnPlusOne. Ce travail a été soutenu par le Département américain de l'énergie dans le cadre de la subvention DE-FG02-02ER63445 et par le Wyss Institute de l'Université Harvard.
