Une technologie révolutionnaire identifie les voisins les plus proches des protéines à la surface des cellules

Lorsque des entreprises partenaires de la Princeton Catalysis Initiative se sont rencontrées il y a deux ans avec David MacMillan, elles lui ont présenté un défi biologique au cœur de médicaments anticancéreux potentiels et d'autres thérapies: quelles protéines à la surface d'une cellule se touchent?

Ce qu'ils voulaient était analogue à un projecteur éclairant une grotte sombre – quelque chose pour briller une lumière métaphorique sur une protéine et ses voisins les plus proches sur la membrane cellulaire. Grandes molécules complexes, les protéines sont la substance de la vie, le pivot même sur lequel tout tourne autour de nous – la façon dont nous pensons, la façon dont nous grandissons, les maladies que nous contractons. Les protéines peuvent le déterminer en envoyant des messages à leurs voisins. Mais alors que les scientifiques pouvaient auparavant dire qui était à l'intérieur de la grotte, ils ne pouvaient pas dire qui se tenait à côté de qui, et manquaient donc de connaissances importantes sur ces communications essentielles de protéine à protéine.

Le groupe MacMillan du département de chimie a annoncé dans le numéro actuel de Science qu'ils ont développé ce projecteur.

La technologie révolutionnaire, nommée μMap par l'équipe de chercheurs de Princeton et de scientifiques Merck, utilise un photocatalyseur – une molécule qui, lorsqu'elle est activée par la lumière, stimule une réaction chimique – pour identifier les relations spatiales sur les surfaces cellulaires. Le catalyseur génère un marqueur qui marque les protéines et leurs voisins moléculaires, ce qui permet à son tour la cartographie précise de leur micro-environnement.

La technologie pourrait avoir un impact sur la protéomique, la génomique et les neurosciences, pour ne nommer que quelques-uns des domaines les plus évidents. Mais les applications de la biologie fondamentale sont si variées que MacMillan, professeur distingué de chimie à l'Université James S. McDonnell de Princeton, a faim de mettre la technologie « entre les mains de tous » pour voir ce que les scientifiques dans d'autres domaines peuvent trouver.

Pour les technologies que nous avons actuellement, le problème n'est pas de savoir si vous pouvez étiqueter des choses. Le problème est que vous pouvez étiqueter des milliers de choses et donc vous ne pouvez pas dire ce qui se passe là-bas et ce qui est juste à côté. Cela s'avère vraiment, vraiment important parce que les molécules ou protéines ou enzymes qui se signalent sont généralement juste à côté les unes des autres. Eh bien, l'état de l'art ne vous dit pas ce qui est proche. « 

David MacMillan, professeur émérite de chimie à l'Université James S. McDonnell de Princeton

Ils ont donc proposé une nouvelle approche radicale.

« Nous avons fait quelques expériences critiques et nous avons immédiatement pu montrer que nous étiquetions les choses à très courte distance », a déclaré MacMillan. « Nous savons maintenant exactement ce qui se trouve dans le quartier. Et cela n'a jamais été fait auparavant. Pour la biologie, ce sera comme si vous allumiez l'interrupteur d'éclairage et que vous voyiez soudainement tout. »

Les scientifiques du Merck Exploratory Science Center (MESC) Rob Oslund et Olugbeminiyi Fadeyi, co-auteurs de papiers basés à Cambridge, Massachusetts, ont déclaré que la technologie pourrait inspirer de nouveaux développements en biologie. « Étant donné le rôle important de la compréhension des interactions protéiques au sein des micro-environnements cellulaires », a déclaré Oslund, « cette technologie a le potentiel de devenir un outil révolutionnaire pour les laboratoires universitaires et industriels des sciences de la vie du monde entier. »

Le μMap, micro-carte prononcée, identifie les voisins dans un rayon de 1 à 10 nanomètres autour d'une protéine particulière. (Pour référence, un cheveu humain mesure environ 100 000 nanomètres de diamètre.) La résolution à ce niveau identifie les 10 ou 15 molécules les plus proches.

Jacob Geri, chercheur postdoctoral au Merck Center for Catalysis de l'Université de Princeton et co-premier auteur du Science papier avec l'étudiant diplômé James Oakley et le scientifique MESC Tamara Reyes-Robles, a déclaré μMap fait cela en utilisant la lumière bleue pour alimenter une réaction catalytique.

Voici comment cela fonctionne: le catalyseur – dans ce cas, un composé métallique organique – est sélectivement attaché à l'une des quelque 40 000 protéines à la surface d'une cellule, où il agit comme une sorte d'antenne. La lumière bleue, qui a une énergie photonique très élevée, sert de déclencheur. Lorsqu'elle brille sur la cellule, cette lumière bleue est captée par l'antenne, qui convertit son énergie photonique en énergie chimique. Cette énergie latente ne refroidit pas; il ne diffuse pas; il ne se promène pas sans but le long de la membrane cellulaire en peignant tout ce qu'il rencontre. Il se trouve juste.

Sur la base d'un article publié il y a une quarantaine d'années, le groupe MacMillan a eu l'idée d'employer l'utilisation d'une molécule organique appelée diazirine particulièrement réceptive à cette énergie latente. Lorsqu'une diazirine se déplace très près du catalyseur – à 0,1 nanomètre près – l'énergie chimique est transférée à la diazirine. La diazirine réagit à son tour si violemment qu'elle libère un sous-produit et devient ce qu'on appelle un carbène, une espèce «en colère» qui s'attache aux protéines voisines.

« Le catalyseur transfère tellement d'énergie que la molécule se déchire pour exposer un atome de carbone incroyablement instable, qui se collera alors à tout ce qu'il peut », a expliqué Geri.

Le catalyseur peut effectuer cette réaction chimique plusieurs fois, de sorte que le processus se répète pour toutes les molécules, protéines et enzymes localisées. Parce que les carbènes sont si éphémères – seulement quelques nanosecondes – leur réaction fournit un instantané vivant et en temps réel de toutes les molécules contiguës. Par la suite, les chercheurs peuvent piquer ensemble une carte précise du micro-environnement – les mêmes technologies que recherchaient les scientifiques.

« Une grande partie du mécanisme de la maladie passe par la façon dont ces cellules se parlent, et elles ne peuvent parler que si elles se touchent », a déclaré Geri. « C'est pourquoi la surface de la cellule est si importante. S'ils se touchent, ils peuvent communiquer. »

Il a ajouté: « Nous pouvons maintenant comprendre ce qui fait que cette communication se produit ou ce qui fait que cette communication change. Cela a vraiment été une expérience incroyable, de travailler là-dessus. »

Le groupe de MacMillan a choisi deux catégories de cellules humaines pour enquêter. L'une était une classe de protéines qui avaient des interactions connues, sélectionnées comme une sorte de groupe témoin pour prouver que leurs interactions pouvaient être capturées par μMap. Le deuxième groupe était « plus intéressant », a déclaré Geri. Il était centré sur des protéines appelées PD-L1 et PD-1, qui sont associées au système immunitaire du corps et à sa réponse aux cellules cancéreuses.

Normalement, les cellules malades comme les cellules cancéreuses se présenteraient comme des intrus moléculaires qui doivent être éliminés par le système immunitaire. Mais les cellules cancéreuses sont trompeuses, a déclaré MacMillan. Ils envoient un signal « ne me tue pas » à travers un mécanisme de camouflage impliquant les axes PD-L1 et PD-1. Étant donné que les thérapies contre le cancer réussissent en partie en raison de leur capacité à bloquer ce signal, les scientifiques veulent en savoir plus sur la façon dont il est transmis. La cartographie du quartier précis est une première étape essentielle. Lorsque les chercheurs mettent le catalyseur μMap sur PD-L1 et PD-1, les molécules de leur micro-environnement sont marquées. Les interactions protéine-protéine qui avaient été précédemment supposées pouvaient maintenant être directement observées. Et plusieurs corrélations ont été détectées qui n'avaient jamais été conçues.

« Maintenant, nous ne faisons pas la biologie du cancer », a déclaré MacMillan. « Mais nous avons inventé cet outil qui peut vous donner beaucoup d'informations sur ces cellules cancéreuses. Nous pensons qu'en utilisant ces informations, vous pouvez commencer à cibler ces protéines afin de supprimer également les signaux parasites. Et si vous pouvez supprimer ces signaux, vous améliorez votre système immunitaire en recherchant ces cellules cancéreuses. « 

Peu de temps après l'arrivée de MacMillan à Princeton, il a commencé à conduire des recherches sur l'exploitation de la lumière LED bleue pour effectuer des exploits chimiques auparavant impossibles. Merck s'est impliqué en 2006, avec un don de semences pour la recherche de MacMillan. La société a depuis donné des fonds supplémentaires et, en 2019, elle a annoncé un engagement de financement de 10 ans en faveur de la Princeton Catalysis Initiative, qui favorise les collaborations interdisciplinaires pour accélérer la découverte de nouveaux domaines de recherche.

« Notre collaboration a créé une nouvelle approche de chimie cellulaire tirant parti de la catalyse photorédox pour activer les diazirines, une classe importante de molécules organiques, d'une manière contrôlée dans le temps », a déclaré Fadeyi de Merck. « En raison de l'utilisation courante des diazirines en biologie chimique et en biologie, cette méthode sera très demandée non seulement pour le marquage des protéines, mais aussi pour identifier les cibles de liaison d'autres biomolécules pour élucider leurs rôles fonctionnels. »

Il a ajouté: « La collaboration a été réussie en raison des interactions étroites entre les scientifiques de Merck et le laboratoire de Dave. »

MacMillan a également salué la découverte comme preuve de la valeur de la collaboration entre les secteurs académiques et industriels, comme ceux envisagés lorsque l'Initiative de catalyse de Princeton a vu le jour en 2018.

« En tant que chimistes, nous ne connaissons pas de bonnes questions en biologie – zéro », a-t-il déclaré. « Donc, vous prenez ces gens qui savent tout sur la biologie, et ils ont ce problème qu'ils essaient de résoudre. Et c'est finalement un grand problème pour un groupe de chimie. En même temps, ce n'est pas un problème qu'un un groupe de chimie y penserait jamais parce qu'il ne connaît pas la biologie. Vous avez ces deux domaines différents et vous les assemblez et vous commencez à réaliser toutes ces grandes choses que vous pouvez faire.

« C'est ce que j'aime dans les sciences sociales des sciences », a-t-il ajouté. « C'est absolument un bel exemple de la façon dont il a fallu un village pour résoudre un problème. »