Révolutionner la glycobiologie : le point de vue d’un spectromètre de masse

Dans cette interview réalisée à Pittcon 2023 à Philadelphie, en Pennsylvanie, nous avons parlé au professeur Albert Heck et avons acquis le point de vue d’un spectromètre de masse sur le domaine de la glycobiologie.

Quel est votre parcours professionnel et qu’est-ce qui vous a d’abord attiré vers le domaine dans lequel vous travaillez ?

Je m’appelle Albert Heck et je suis titulaire de la chaire de spectrométrie de masse biomoléculaire et de protéomique à l’Université d’Utrecht aux Pays-Bas. Je suis un spectromètre de masse avec un large intérêt pour les protéines.

De formation, je suis chimiste analytique mais aussi physico-chimiste et biochimiste. C’est formidable que vous puissiez développer ce que vous faites et couvrir tous ces domaines à partir de votre base de spectromètre de masse.

Comment vos recherches antérieures vous ont-elles préparé au domaine de la glycobiologie ?

J’ai longtemps travaillé sur l’analyse des protéines, et au début, on ignorait que ces protéines pouvaient aussi être glycosylées car c’était trop difficile à analyser. Cela rend les protéines beaucoup plus complexes car elles sont plus hétérogènes.

Cependant, grâce aux progrès de la spectrométrie de masse et de la chimie analytique, nous pouvons désormais étudier ces glycoprotéines et les glycanes présents sur les glycoprotéines, car nous nous sommes rendu compte que ceux-ci sont cruciaux pour leur fonction.

Si vous voulez vraiment comprendre le fonctionnement des protéines, en particulier les protéines plasmatiques et les protéines à la surface des cellules, vous devez également analyser et comprendre leur glycosylation des protéines. Je me suis intéressé à ce domaine uniquement parce que je savais qu’il était important.

Qu’est-ce que la glycobiologie ?

La biologie est l’étude de la vie, mais je le fais plus au niveau moléculaire. Je m’intéresse particulièrement au fonctionnement des protéines, et la glycobiologie concerne tout ce qui concerne les sucres.

Les sucres peuvent être libres dans votre corps et vos cellules, mais ils peuvent également être liés aux lipides et aux protéines. Ils peuvent même recouvrir toute la cellule d’une couche de sucre, ce qui se produit dans la plupart de nos cellules. Le domaine de la glycobiologie est l’étude de ce que font ces glycanes, où ils se trouvent et ce qu’ils font pour nous protéger de toutes sortes d’agents pathogènes au sens large.

Pourquoi l’étude de la structure, de la biosynthèse et de la biologie des glucides est-elle si importante ?

L’étude des sucres comporte trois étapes. Les sucres que nous appelons généralement les sucres libres sont, en termes scientifiques, connus sous le nom de glycanes. Si ces glycanes sont attachés à des lipides ou à des protéines, nous les appelons glycolipides ou glycoprotéines. Il est crucial d’étudier les glycanes libres et la façon dont ces glycanes sont attachés aux lipides ou aux protéines, car ils peuvent modifier la protéine afin qu’ils puissent changer leur fonction et se reconnaître. Cela peut être à la fois positif et négatif.

Par exemple, si des virus veulent pénétrer dans nos cellules, ils doivent également reconnaître les glycanes de la cellule. S’ils les reconnaissent, ils peuvent entrer. S’ils ne les reconnaissent pas, ils ne peuvent pas entrer. Ce n’est qu’un exemple, mais très important.

Comment la spectrométrie de masse a-t-elle changé au cours des dernières années et quel impact cela a-t-il eu sur la glycobiologie ?

La spectrométrie de masse est une technique très puissante, et jusqu’à il y a 10 ans, elle était assez bonne pour analyser les sucres libres. Cependant, lorsque ces sucres étaient attachés à des protéines, c’était beaucoup plus difficile. Dans la plupart des glycoprotéines, des dizaines de structures de glycanes différentes peuvent être attachées à la protéine, ce qui rend l’analyse de la molécule structurellement hétérogène beaucoup plus complexe.

Avec la spectrométrie de masse, nous n’avions pas encore la séparation pour vraiment définir toutes les différentes structures de glycanes sur la glycoprotéine. Mais de nos jours, avec une résolution plus élevée, de meilleures technologies de séparation, de meilleures technologies d’enrichissement et de meilleurs logiciels, nous sommes devenus prêts à entrer dans ce domaine et y jouons maintenant un rôle important.

Quels sont les principaux facteurs à prendre en compte lors de l’utilisation de la spectrométrie de masse pour étudier les glucides ?

Les glucides sont un échantillon extrêmement complexe à analyser car ils sont très hétérogènes dans leurs structures. Ils peuvent également avoir des liens différents qui les rendent très complexes.

D’autre part, le corps humain a certaines règles, et en étudiant comment les glycanes sont attachés aux protéines, nous commençons à comprendre quels glycanes sont mis sur les protéines et leurs fonctions spécifiques. Auparavant on l’ignorait, mais si on veut vraiment comprendre comment fonctionne la vie sur terre, il faut étudier le rôle des glycanes sur les protéines.

Quels sont les inconvénients des modèles actuels de spectrométrie de masse en matière de glycobiologie, et comment pourrait-on y remédier ?

Il y a toujours des défis; comme mentionné précédemment, nous pouvons mesurer des masses, mais nous ne pouvons pas facilement mesurer des structures. Dans le passé, nous utilisions des techniques comme la RMN et peut-être même la cristallographie, mais ces techniques ont des limites lorsqu’il s’agit d’étudier les glycanes.

L’une des faiblesses de la spectrométrie de masse est que si nous avons deux glycanes qui ont exactement la même masse mais une structure unique parce qu’ils ont une liaison distincte des liaisons chimiques, il nous est alors plus difficile de les distinguer.

Le domaine travaille actuellement sur de nouvelles techniques comme la mobilité ionique ou la spectroscopie pour distinguer ce que nous appelons les isomères car ils ont la même masse. Cependant, pour l’instant, l’utilisation de la spectrométrie de masse en glycoprotéomique est toujours considérée comme un défi.

Quelles nouvelles approches pourraient être entreprises dans le domaine de la glycobiologie ?

Il y a beaucoup de choses qui se développent, et je pense qu’il est très intéressant de suivre le domaine du séquençage du génome et le domaine du séquençage des protéines par les nanopores. Ce domaine très attractif pourrait aider à surmonter certains des défis mentionnés précédemment dans le domaine de la glycoprotéomique.

À l’heure actuelle, nous ne pouvons pas voir comment différents isomères d’un glycane ou d’un glycopeptide traversent un nanopore. Le séquençage des nanopores est encore probablement à 5 à 10 ans d’être développé, mais c’est néanmoins un domaine intéressant.

Les nouvelles techniques de fragmentation en spectrométrie de masse sont également très importantes pour la glycobiologie et la glycoprotéomique. Nous travaillons beaucoup sur la fragmentation induite par les photons et la dissociation induite par les électrons. Ces choses ont déjà émergé mais doivent encore être développées avant d’être impliquées dans des analyses.

Quels sont les principaux défis auxquels sera confrontée la glycobiologie dans les années à venir ?

Le domaine de la glycobiologie est très important. Nous savons actuellement que, par exemple, le bouclier de glycanes sur une cellule tumorale est différent de celui d’une cellule saine. Mais comprendre cela et comment nous pouvons utiliser ces informations pour aider à développer des thérapies est l’un des grands défis dans le domaine de la glycobiologie.

Au cours des deux dernières années, tout le monde est devenu un peu un expert en virologie. Pourtant, comprendre comment les virus pénètrent dans les cellules dépend du bouclier de glycane de la cellule et de la couche de glycane sur le virus. Pour comprendre cela, nous devrons mener des études approfondies sur ces aspects de la glycobiologie de presque tous les aspects de la vie.

Comment envisagez-vous votre travail dans ce domaine pour aider à surmonter de tels défis ?

Vous devez toujours réaliser que votre rôle sur le terrain n’est qu’un rôle parmi des milliers. Je suis spectromètre de masse depuis 20 ans, et j’ai toujours été animé par mon désir de montrer que la spectrométrie de masse peut toujours faire plus que ce qu’elle pouvait faire hier. Je cherche constamment comment ce domaine peut être élargi et appliqué à de nouvelles questions de recherche.

Le domaine de la glycobiologie est si important, et il reste encore tant de défis à relever. Dans les années à venir, nous voulons travailler principalement sur la capacité à mieux détecter les masses de glycoprotéines et de complexes glycoprotéiques. Nous voulons également pouvoir mieux les séquencer et obtenir de meilleures informations sur quels glycanes sont attachés à quelle protéine dans quelles conditions physiologiques.

Cependant, il reste encore beaucoup de travail à faire avant d’y parvenir.

Sur quoi travaillez-vous actuellement en ce moment et qui vous passionne particulièrement ?

Je suis particulièrement enthousiasmé par une technique que nous avons développée il y a quelques années et qui a rendu la spectrométrie de masse beaucoup plus sensible ; la technique est appelée spectrométrie de masse à molécule unique. Nous pouvons également mesurer les masses de particules simples et de molécules simples en utilisant cette technique.

Cette technique de détection de molécule unique peut également être utilisée pour surmonter certains des défis évoqués précédemment. C’est particulièrement vrai pour des molécules comme les glycoprotéines qui peuvent être tellement hétérogènes qu’il est parfois très difficile de mesurer leur masse.

Nous avons développé la technologie pour déterminer la véritable sensibilité de la spectrométrie de masse, et maintenant que nous l’avons en main, notamment en termes d’analyse de très grandes glycoprotéines, nous pouvons voir que son application est énorme. Ce sera une technique très bénéfique dans le domaine de la glycoprotéomique.

À propos du professeur Albert Heck

Albert JR Heck (Université d’Utrecht, Pays-Bas) est directeur scientifique du Centre néerlandais de protéomique. Le groupe de Heck met l’accent sur le développement et les applications de technologies avancées de protéomique basées sur la spectrométrie de masse. Heck a introduit les technologies basées sur TiO2 et Ti4+-IMAC pour l’enrichissement phospho. Heck a été le premier à utiliser des protéases alternatives et des techniques de fragmentation de peptides hybrides (par exemple, EThcD, UVPD). Son groupe a également introduit le marquage 15N dans les organismes multicellulaires et le marquage diméthyle économique. La recherche en protéomique de Heck se concentre en grande partie sur le cancer, les cellules souches et l’immunologie. Outre les efforts en protéomique, le groupe de Heck est également bien connu pour son expertise en biologie structurale basée sur la spectrométrie de masse, utilisant la spectrométrie de masse native, la réticulation et/ou la spectrométrie de masse par échange HD. Le Heck-lab a développé des instruments dédiés à l’analyse des protéines intactes et des complexes protéiques, avec plus récemment un nouvel Orbitrap à haute masse, une avancée majeure pour la protéomique descendante et la spectrométrie de masse native. Grâce au développement des flux de travail XlinkX et PhoX, ils ont également facilité les études de réticulation à l’échelle du protéome. Ces dernières années, il s’est également concentré sur l’analyse de produits biopharmaceutiques, ainsi que sur les glycoprotéines plasmatiques et les immunoglobulines.

Heck est récipiendaire du HUPO Discovery Award (2013) et du Proteomics Pioneer Award de l’European Proteomics Association (EuPA, 2014). En 2016, il a reçu le prix ACS Field et Franklin. En 2014, il est devenu membre élu de l’EMBO et de l’Académie royale des sciences et des arts des Pays-Bas (KNAW). En 2017, Heck a reçu le prix Spinoza, le prix scientifique le plus distingué des Pays-Bas. En 2018, Heck a reçu la médaille Thomson de l’International Mass Spectrometry Society et la médaille Krebs (FEBS).

À propos de Pitcon

Pitcon^® est une marque déposée de The Pittsburgh Conference on Analytical Chemistry and Applied Spectroscopy, une organisation à but non lucratif de Pennsylvanie. Coparrainé par la Spectroscopy Society of Pittsburgh et la Society for Analytical Chemists of Pittsburgh, Pittcon est la première conférence et exposition annuelle sur les sciences de laboratoire.

Le produit de Pittcon finance l’éducation scientifique et la sensibilisation à tous les niveaux, de la maternelle à l’adulte. Pittcon fait don de plus d’un million de dollars par an pour fournir un soutien financier et administratif à diverses activités de vulgarisation scientifique, notamment des subventions d’équipement scientifique, des subventions de recherche, des bourses et des stages pour les étudiants, des prix aux enseignants et aux professeurs et des subventions aux centres scientifiques publics, bibliothèques et musées .

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