Les ingénieurs biomédicaux de l'Université Duke ont démontré une nouvelle approche synthétique qui turait les bactéries en produisant plus d'une protéine spécifique, même des protéines qui les détruiraient normalement, comme les antibiotiques.
La technique ordonne aux bactéries de produire des protéines désordonnées synthétiques qui se regroupent pour former des compartiments appelés condensats biologiques. Lorsque ces compartiments emprisonnent l'ARNm de l'ARNm portant des instructions pour des protéines spécifiques avec les machines nécessaires pour les mettre en œuvre, elles peuvent considérablement améliorer le taux de production de protéines.
La technique pourrait être une aubaine pour les industries qui utilisent des bactéries pour produire un large éventail de produits tels que les produits pharmaceutiques, les produits chimiques industriels et les biocarburants.
Les résultats sont apparus en ligne le 10 février dans le journal Chimie de la nature.
Les condensats biologiques sont des outils utiles qui sont déjà de nature abondante. Toutes les cellules utilisent des condensats pour piéger ensemble ou séparer les machines biomoléculaires pour composer son activité de haut en bas. Depuis que le phénomène a été découvert en 2009, leurs utilisations et leurs fonctions ont été un sujet d'étude vigoureuse.
Les condensats sont utiles pour que les cellules contrôlent temporairement l'expression des gènes en réponse à de nouvelles conditions ou défis car, en contrôlant rapidement l'expression des gènes au niveau de la production des protéines, plutôt qu'au niveau de l'ADN, ils peuvent apporter des changements dans lesquels les protéines sont produites en quelques minutes à la place ou même des jours. Mais les condensats naturels sont extrêmement compliqués et difficiles à concevoir. Notre laboratoire est l'une des rares cellules de réalisation à faire des versions synthétiques qui peuvent être spécifiquement adaptées pour s'adapter à nos objectifs. «
Daniel Shapiro, doctorant travaillant au laboratoire d'Ashutosh Chilkoti, le professeur distingué d'Alan L. Kaganov de génie biomédical à Duke
Le laboratoire Chilkoti est spécialisé dans les polypeptides de type élastine, ou ELP pour faire court. Ces protéines longues et désordonnées sont comme des globules de nouilles qui peuvent être adaptés pour agrandir ensemble ou se dissoudre en fonction d'une large gamme de variables telles que la température ou l'acidité.
En 2023, le laboratoire a été le premier à montrer que les bactéries pouvaient être programmées pour fabriquer ces protéines désordonnées synthétiques et leur faire former des condensats qui affectent les machines biologiques.
« Ce travail a montré que nous, en tant qu'ingénieurs biomédicaux, pouvions concevoir de nouvelles pièces moléculaires à partir de zéro, convaincant les cellules de les fabriquer et assembler ces parties à l'intérieur de la cellule pour faire une nouvelle machine », a déclaré Chilkoti. « Ce sont les débuts d'un domaine émergent qui nous permet maintenant de reprogrammer la vie de manière nouvelle et passionnante. »
Cette recherche, entre autres résultats, a montré que les condensats biologiques synthétiques pouvaient accélérer les machines biomoléculaires pour accélérer leur travail. Mais il n'a pas cherché à instruire spécifiquement la cellule qui processus à accélérer ou les protéines à produire.
Ce nouveau travail s'appuie sur cette base pour faire exactement cela. Les chercheurs ont demandé aux cellules bactéries de produire des ELP qui forment des condensats et se lient également à des séquences d'ARN spécifiques, qui copient et transportent les plans pour construire des protéines de l'ADN au reste de la cellule. En assemblant ces séquences d'ARN dans un condensat dense, les chercheurs pensent que cela les a rendus plus facilement disponibles pour les machines de fabrication de protéines de la cellule pour les trouver et les utiliser.
« Plutôt que de cacher l'ARN de la machinerie de la cellule, il semble rassembler tout cela à une concentration plus élevée dans une sorte de creuset de réaction qui augmente le taux de production de protéines », a déclaré Shapiro. « Vous pouvez faire exprimer plus une cellule à une cellule et faire plus de ses protéines, mais une fois l'ARN fait, il existe très peu de façons d'améliorer la vitesse à laquelle les protéines sont traduites. C'est ce que nous avons fait ici, ce qui est très excitant . «
À l'avenir, les chercheurs continuent de développer leur plate-forme. Par exemple, les expériences indiquent que si ces condensats sont conçus pour être plus visqueux, ils produisent moins de protéines. Des effets comme celui-ci donnent à l'équipe des manches à utiliser pour contrôler le taux de production. Shapiro travaille également pour voir comment la structure de l'ARNm ciblée affecte son taux de production.
La recherche pourrait être utile dans au moins deux grandes classes d'industrie. De nombreuses thérapies biologiques, comme les anticorps, les vaccins et les protéines immunitaires, sont fabriquées dans les cellules de mammifères car elles nécessitent des machines chimiques qui n'existent pas chez les bactéries. En utilisant ces condensats synthétiques, Shapiro voit une voie pour piéger les pièces requises du puzzle pour aider les bactéries à créer efficacement ces thérapies. L'autre possibilité consiste à utiliser des condensats pour séquestrer les protéines produites afin qu'elles ne puissent pas nuire à la bactérie hôte, qui est un barrage routier courant dans la production efficace d'antibiotiques et d'autres protéines antimicrobiennes.
Cette recherche a été soutenue par le Bureau de la recherche scientifique de l'Air Force (FA9550-20-1-0241) et les National Institutes of Health (Mira R35GM127042).
