An in vitro platform for the rapid and scalable biocatalysis of complex polyketides

La nature a construit certaines des usines chimiques les plus sophistiquées connues de la science à l'intérieur de minuscules bactéries. Ces organismes microscopiques possèdent de longues lignes d'assemblage moléculaire composées de protéines qui peuvent assembler des blocs de construction simples en structures tridimensionnelles complexes. Ces structures, appelées polycétides, sont la source de nombreux médicaments vitaux, notamment des antibiotiques qui combattent l'infection et des médicaments qui calment le système immunitaire. Pendant des décennies, les scientifiques ont rêvé de sortir ces lignes d'assemblage naturelles des bactéries pour les placer dans un tube à essai. L'idée était de faire fonctionner ces machines moléculaires directement, sans l'interférence désordonnée d'une cellule vivante, afin de créer de nouveaux médicaments plus rapidement et plus proprement. Cependant, les premières tentatives pour y parvenir ont échoué. Lorsque les chercheurs ont essayé de faire fonctionner ces lignes d'assemblage hors de la cellule, elles se déplaçaient si lentement que le processus semblait inutile, produisant presque rien avant que la machinerie ne cesse de fonctionner.

Une équipe de chercheurs de l'Université du Texas à Austin a maintenant renversé cette croyance de longue date. Ils ont développé une nouvelle façon de faire fonctionner ces lignes d'assemblage moléculaire dans un tube à essai qui est rapide, efficace et capable de produire de grandes quantités de produits chimiques complexes. En redessinant soigneusement les parties protéiques de la ligne d'assemblage et en créant un système qui renouvelle constamment le carburant dont les machines ont besoin, l'équipe a transformé un processus léthargique en une ligne de production rapide. Ils ont démontré que ces machines biologiques peuvent travailler aussi vite que les usines naturelles les plus efficaces trouvées dans la nature, convertissant des ingrédients simples en molécules complexes de type médicamenteux en quelques heures. Cette percée suggère que les scientifiques peuvent désormais construire des bibliothèques de nouveaux médicaments complexes dans un cadre de laboratoire, en contournant les méthodes lentes et coûteuses de la synthèse chimique traditionnelle ou la nature imprévisible de la culture de bactéries.

L'histoire commence avec un type spécifique de machine moléculaire appelé polycétide synthase. Dans la nature, ces machines sont comme de massifs tapis roulants faits de protéines. Elles prennent de petites molécules simples et les lient les unes aux autres dans un ordre précis pour construire des structures plus grandes et complexes. L'ordre des pièces sur le tapis détermine la forme et la fonction du produit final. Pendant des années, les scientifiques ont essayé d'utiliser ces machines à l'intérieur de bactéries vivantes pour fabriquer des médicaments. Bien que cela ait fonctionné, il était difficile de contrôler le processus. Les bactéries possédaient leurs propres processus internes qui entravaient la ligne d'assemblage, et il était difficile de dire si un faible rendement était dû à un défaut de la machine ou à l'environnement de la cellule. Déplacer le processus dans un tube à essai semblait être la solution logique, car cela permettrait aux scientifiques de contrôler chaque variable. Mais lorsqu'ils ont essayé pour la première fois, les machines étaient incroyablement lentes. Une tentative célèbre consistant à faire fonctionner une machine qui fabrique un antibiotique appelé érythromycine a montré qu'elle se déplaçait à un rythme glacial, ne produisant qu'une infime quantité de produit avant de s'arrêter. Cela a conduit à l'hypothèse généralisée selon laquelle ces machines complexes ne fonctionnent tout simplement pas bien en dehors de leur habitat naturel.

Les chercheurs ont entrepris de prouver que cette hypothèse était erronée. Ils se sont concentrés sur une machine différente, celle qui produit naturellement un composé appelé narbonolide, qui est lié à l'antibiotique pikromycine. Au lieu d'utiliser la version naturelle de la machine, qui est composée de quatre grands brins protéiques, ils l'ont décomposée en six pièces plus petites et plus maniables. Ce design refactorisé a facilité la production de la machine en laboratoire et son assemblage correct. Ils ont ensuite testé cette nouvelle configuration dans une solution contenant le carburant et les blocs de construction nécessaires. Initialement, la machine fonctionnait, mais elle était encore trop lente pour être pratique, et le produit qu'elle fabriquait était fragile, se décomposant dans l'environnement chimique du tube à essai. L'équipe a réalisé que la machine se battait contre elle-même. Certaines parties de la machine produisaient des sous-produits indésirables, et le carburant était gaspillé.

Pour corriger cela, les chercheurs ont traité la ligne d'assemblage comme un moteur complexe nécessitant un réglage. Ils ont remplacé des composants spécifiques de la machine, substituant des connecteurs génériques par des connecteurs mieux adaptés à la tâche spécifique. Ils ont déplacé les étiquettes utilisées pour identifier les protéines à différents endroits sur les brins pour voir si cela aidait les pièces à s'assembler plus efficacement. Ils ont également ajouté une enzyme de nettoyage spéciale qui agissait comme un mécanicien, éliminant les pièces défectueuses qui auraient autrement bloqué la ligne d'assemblage. Chaque petit changement rendait la machine plus rapide. Lorsqu'ils ont terminé l'optimisation du design, la machine travaillait à une vitesse cent fois supérieure à celle de l'ancienne machine à érythromycine et comparable à la vitesse des usines d'acides gras naturelles les plus efficaces. Ce n'était plus une expérience léthargique ; c'était un biocatalyseur de haute performance.

La dernière pièce du puzzle était le système de carburant. Ces machines nécessitent un approvisionnement constant en énergie et en blocs de construction spécifiques pour continuer à fonctionner. Dans une cellule vivante, la cellule fournit ce carburant automatiquement. Dans un tube à essai, le carburant s'épuise rapidement. L'équipe a développé une nouvelle plateforme, qu'ils appellent le système EPK, qui agit comme une station de remplissage automatique. Ce système comprend des enzymes qui régénèrent constamment le carburant et les blocs de construction à partir d'ingrédients simples et peu coûteux. Avec ce système en place, les chercheurs ont pu faire fonctionner une réaction dans un petit bécher pendant deux heures à température ambiante. Ils ont commencé avec une infime quantité de la machine et des ingrédients simples, et la machine les a convertis en une grande quantité du produit final. En seulement deux heures, ils ont produit suffisamment de composé de narbonolide pour remplir un petit flacon, une quantité qui aurait pris des jours ou des semaines à obtenir avec les méthodes précédentes.

Le succès de cette plateforme a dépassé la simple fabrication d'un composé. Les chercheurs ont utilisé le même système optimisé pour construire quatre autres molécules complexes, chacune ayant une forme légèrement différente. Parce que le processus était si propre et exempt du bruit d'une cellule vivante, ils ont pu isoler ces produits sous une forme pure. Cela leur a permis de déterminer la structure tridimensionnelle exacte des molécules à l'aide de la cristallographie aux rayons X, révélant des détails qui n'avaient jamais été vus auparavant. L'une des molécules qu'ils ont fabriquées présentait une structure qui était l'image miroir d'un composé connu, une subtile différence qui est souvent manquée dans les cellules vivantes mais qui était clairement visible ici. La capacité de produire ces formes complexes sous forme pure ouvre la voie à la création de vastes bibliothèques de nouvelles structures chimiques. Les scientifiques peuvent désormais mélanger et assortir différentes parties des lignes d'assemblage pour créer des milliers de nouvelles variations, en testant leurs propriétés médicinales sans les contraintes de la culture de bactéries.

Ce travail change le paysage de la fabrication de médicaments complexes. Il prouve que la lenteur de ces machines moléculaires n'était pas un défaut fondamental, mais le résultat d'une mauvaise conception et d'un manque de systèmes de support appropriés. En reconstruisant les machines et en leur fournissant un flux constant de carburant, les chercheurs ont débloqué une nouvelle façon d'exploiter les outils de synthèse les plus puissants de la nature. Le processus est désormais assez rapide pour être pratique et assez propre pour produire des matériaux de haute qualité pour la découverte de médicaments. Bien que la technologie n'en soit qu'à ses débuts, les résultats montrent que l'avenir de la fabrication de médicaments complexes pourrait ne pas résider dans la culture de plus de bactéries ou la construction de plus d'usines chimiques, mais dans le perfectionnement des lignes d'assemblage moléculaire que la nature a déjà perfectionnées. La porte est désormais ouverte pour explorer un vaste espace chimique, créant de nouvelles possibilités pour traiter des maladies qui ont longtemps été difficiles à atteindre.