Un commutateur protéique conçu permet un contrôle sans précédent sur les cellules vivantes

Les scientifiques ont créé le premier commutateur protéique entièrement artificiel capable d'agir à l'intérieur des cellules vivantes pour modifier, voire réquisitionner, les circuits internes complexes de la cellule.

Le commutateur est baptisé LOCKR, abréviation de Latching, Orthogonal Cage/Key pRotein.

Articles complémentaires publiés le 24 juillet dans la revue Nature décrire la conception de LOCKR et démontrer plusieurs applications pratiques de la technologie. Les travaux ont été menés par des équipes de bio-ingénierie dirigées par David Baker de l'UW Medicine Institute for Protein Design et Hana El-Samad de l'UC San Francisco.

Les scientifiques montrent que LOCKR peut être « programmé » pour modifier l'expression du gène, rediriger le trafic cellulaire, dégrader des protéines spécifiques et contrôler protéine interactions contraignantes. Les chercheurs utilisent également LOCKR pour construire de nouveaux circuits biologiques qui se comportent comme des capteurs autonomes. Ces circuits détectent les signaux provenant de l'environnement interne ou externe de la cellule et réagissent en apportant des modifications à la cellule. Cela ressemble à la façon dont un thermostat détecte température ambiante et ordonne à un système de chauffage ou de refroidissement de s'éteindre dès qu'une température souhaitée est atteinte.

Une fois assemblés par une cellule, ces nouveaux interrupteurs ne mesurent que huit nanomètres sur leur côté le plus long. Il faudrait plus d'une centaine de millions pour couvrir la période située à la fin de cette phrase.

"La capacité de contrôler les cellules avec des protéines de conception ouvre la voie à une nouvelle ère de la biologie", a déclaré El-Samad, professeur de biochimie et de biophysique de la famille Kuo à l'UCSF et co-auteur principal des rapports. « De la même manière que circuits intégrés Ayant permis l’explosion de l’industrie des puces informatiques, ces commutateurs biologiques polyvalents et dynamiques pourraient bientôt permettre un contrôle précis du comportement des cellules vivantes et, à terme, de notre santé.

N'ayant pas d'équivalent dans le monde naturel, LOCKR se démarque de tous les outils du commerce des biotechnologies, y compris des technologies récentes comme l'optogénétique et CRISPR. Alors que ses prédécesseurs ont été découverts dans la nature puis rééquipés pour être utilisés dans les laboratoires, l’industrie ou la médecine, LOCKR fait partie des premiers outils biotechnologiques entièrement conçus et construits par l’homme.

Les principaux auteurs des rapports sont Bobby Langan et Scott Boyken de l'UW Medicine Institute for Protein Design, et Andrew Ng du programme d'études supérieures en bioingénierie de l'UC Berkeley-UCSF.

"À l'heure actuelle, chaque cellule réagit à son environnement", a déclaré Langan. « Les cellules reçoivent des stimuli, puis doivent trouver quoi faire. Ils utilisent des systèmes naturels pour ajuster l’expression des gènes ou dégrader les protéines, par exemple.

Langan et ses collègues ont entrepris de créer une nouvelle façon d'interagir avec ces systèmes cellulaires. Ils ont utilisé le calcul conception de protéines pour créer des protéines auto-assemblées qui présentent des peptides bioactifs uniquement lors de l’ajout de « clés » moléculaires spécifiques.

Avec une version de LOCKR installée dans la levure, l'équipe a pu montrer que le champignon génétiquement modifié pouvait être amené à dégrader une protéine cellulaire spécifique au moment choisi par les chercheurs. En repensant le commutateur, ils ont également démontré le même effet sur des cellules humaines cultivées en laboratoire.

Pour rester en bonne santé, les cellules doivent contrôler étroitement leurs processus biochimiques. Une activité anormale dans un seul gène ou l'accumulation d'une mauvaise protéine peut perturber l'équilibre d'une cellule. Cela pourrait conduire à la mort cellulaire, voire au cancer. LOCKR offre aux scientifiques une nouvelle façon d’interagir avec les cellules vivantes. Cela pourrait ainsi permettre une nouvelle vague de thérapies pour des maladies aussi diverses que le cancer, maladies auto-immunes et plus.

"LOCKR ouvre un tout nouveau domaine de possibilités pour la programmation cellules", a déclaré Ng. "Nous sommes désormais davantage limités par notre imagination et notre créativité que par les protéines développées par la nature."