Nous avons tous entendu parler des anticorps – des protéines produites par notre corps pour se lier aux virus ou aux bactéries, les marquant pour l'élimination par le système immunitaire. Mais nous ne connaissons pas tous les aptamères: des segments courts d'ADN ou d'ARN qui sont conçus pour se lier, comme les anticorps, vers des cibles spécifiques. Synthétiques et peu coûteux à produire, les aptamères sont des alternatives attrayantes aux anticorps pour les diagnostics biomédicaux et la thérapie.
Lorsque de nouveaux liants d'aptamère sont nécessaires, par exemple pour détecter un nouveau virus, ils sont développés à partir de bibliothèques de millions de séquences d'acide nucléique à partir desquelles les meilleures correspondances pour une cible donnée sont sélectionnées et amplifiées. Jusqu'à présent, ces bibliothèques ne contenaient que des liants monovalents: séquences qui se lient à un site sur une molécule cible. Mais cela contraste avec la structure de nombreuses protéines du monde réel, y compris les protéines SARS-COV-2, grippe et Spike VIH. Ces structures, que les virus utilisent pour infecter les cellules, sont composées de trois sous-unités identiques présentant trois sites de liaison potentiels.
Malheureusement, l'utilisation de liants monovalents pour ces complexes à trois unités (trimériques) est un coup ou une missile. En fait, Maartje Bastings, chef du laboratoire programmable des biomatériaux à l'École d'ingénierie de l'EPFL, le compare à « lancer un bol de spaghetti au mur, comme quelque chose va certainement coller quelque part. «
Vous ne pouvez pas contrôler où un liant monovalent interagit avec sa cible: par exemple, il peut se lier au côté d'une protéine, plutôt que l'interface de liaison, réduisant sa fonctionnalité. En d'autres termes, vous ne pouvez pas choisir l'endroit sur le mur où une certaine nouille de spaghetti collera. Donc, nous avons pensé: ne serait-il pas mieux ou pré-organiser notre bibliothèque pour les liants qui correspondent à la géométrie exacte d'une cible? Et cette approche se révèle comme par magie. «
Maartje Bastings, chef du laboratoire programmable des biomatériaux à l'École d'ingénierie de l'EPFL
Bastings et son équipe ont récemment signalé la première technique pour produire des aptamères multimères, qui ciblent les complexes protéiques avec une précision et une fonctionnalité sans précédent. En effet, les liants se sont développés avec l'approche du laboratoire, surnommée MEDUSA (assemblages supramoléculaires à base d'ADN à évolution multivalent), donne des affinités de liaison entre 10 et 1000 fois plus fortes que celles obtenues avec des liants monovalents. En plus d'être plus forts, ils se sont également avérés beaucoup plus sélectifs, ce qui est essentiel pour les diagnostics. La recherche a été publiée dans NATURE NANOTECHNOLOGIE.
Une approche bioinspire
La clé pour développer des liants trimériques est l'échafaudage: une structure moléculaire autour duquel trois unités de liaison s'assemblent naturellement. Dans leurs expériences, les chercheurs ont développé leur échafaudage sur la base de la géométrie de la protéine de pointe SARS-COV-2. En ajoutant ces échafaudages sur mesure à leur bibliothèque aptamère, l'équipe a pu biaiser l'espace de séquence vers des candidats trimériques qui se lieraient fonctionnellement à l'interface cible dès le début.
« Nous avons rétro-conçu le paradigme naturel vu dans les virus, dans lesquels les complexes moléculaires multivalents co-évoluent, et l'ont traduit en une nouvelle méthode de découverte de liant qui nous permet de sélectionner des liants multivalents qui peuvent bloquer ces virus », résume le doctorant et le premier auteur Artem Kononenko.
Une fois qu'un premier lot de liants est identifié, les candidats ayant une affinité croissante pour leur cible sont développés par un processus itératif de sélection et d'amplification appelée «évolution».
Bien que la conception de nouveaux échafaudages puisse prendre quelques heures, le processus d'évolution peut prendre des semaines. Pour l'avenir, l'équipe de recherche vise à raccourcir ce délai pour mieux répondre aux besoins des diagnostics biomédicaux et des thérapies.
Un autre objectif est de développer des liants multimériques ciblant les agents pathogènes avec des configurations encore plus complexes, comme la dengue (six sous-unités de liaison) ou l'anthrax (sept). « En fin de compte, nous voulons utiliser ce nouvel espace de séquence multivalent pour former des modèles d'intelligence artificielle générative pour ce faire pour nous », explique Bastings.
