La glycobiologie, qui évolue au-delà de ses racines dans la chimie des glucides, constitue désormais un domaine clé dans la compréhension des mécanismes moléculaires de la vie. Les glycanes, essentiels dans diverses fonctions biologiques, font l’objet de recherches et d’innovations technologiques révolutionnaires, révélant leur rôle essentiel dans la santé et la maladie. Crédit : Issues.fr.com
Les chercheurs travaillent à faire progresser le domaine de la glycoscience, en mettant en lumière le rôle essentiel des glucides pour la santé humaine et les maladies.
Au sens le plus étroit, la glycobiologie est l’étude de la structure, de la biologie et de l’évolution des glycanes, des glucides et des molécules enrobées de sucre que l’on trouve dans chaque organisme vivant. Comme l’a clairement montré un récent symposium au MIT, le domaine est au milieu d’une renaissance qui pourrait remodeler la compréhension des scientifiques sur les éléments constitutifs de la vie.
Initialement inventée dans les années 1980 pour décrire la fusion de la recherche traditionnelle en chimie et biochimie des glucides, la glycobiologie est devenue un ensemble d’idées beaucoup plus large et multidisciplinaire. « Glycoscience » pourrait en fait être un nom plus approprié pour ce domaine en croissance rapide, reflétant ses vastes applications non seulement à la biologie et à la chimie, mais également à la bio-ingénierie, à la médecine, à la science des matériaux, etc.
« Il devient de plus en plus clair que ces glycanes ont un rôle très important à jouer dans la santé et la maladie », déclare Laura Kiessling, professeur de chimie chez Novartis. « Cela peut paraître intimidant au début, mais concevoir de nouveaux outils et identifier de nouveaux types d’interactions nécessite exactement le même type de compétences créatives en résolution de problèmes que les gens possèdent à l’époque. MIT.»
Le manteau de sucre du corps
Les glycanes comprennent un ensemble diversifié de molécules dotées de structures linéaires et ramifiées qui sont essentielles aux fonctions biologiques de base. Sans exception connue, toutes les cellules dans la nature sont recouvertes de ces molécules de sucre – depuis les chaînes complexes de sucres entourant la plupart des surfaces cellulaires jusqu’aux molécules conjuguées formées lorsque les sucres s’attachent comme un échafaudage aux lipides et aux protéines. Ils sont absolument fondamentaux à la vie. Par exemple, Kiessling souligne que la molécule organique la plus abondante sur la planète est la cellulose glucidique.
«La liaison spermatozoïde-ovule est médiée par une interaction entre une protéine et un glucide», dit-elle. « Aucun de nous n’existerait sans ces interactions. »
Bien que parler de glucides et de sucres puisse laisser certaines personnes se concentrer sur leur alimentation, les glycanes sont en réalité parmi les biomolécules les plus importantes. Ils stockent l’énergie et, dans certains cas, comme la cellulose, fournissent la structure structurelle des organismes multicellulaires. Ils assurent la communication entre les cellules ; influencer les interactions comme celle entre un hôte et un parasite ; et façonner les réponses immunitaires, la progression de la maladie, le développement et la physiologie.
Dans le laboratoire du professeur Laura Kiessling, les chercheurs s’efforcent de comprendre les interactions protéines-glucides au niveau moléculaire, comme la protéine intélectine-1 humaine (hiTLN-1) présentée ici. Comprendre la glycobiologie de la protéine pourrait faciliter le développement de nouveaux antibiotiques et traitements antimicrobiens. Crédit : Laboratoire Kiessling
« Il s’avère que certaines de ces structures, dont nous ne savions même pas qu’elles existaient en si grande abondance dans le corps jusqu’à récemment, ont de nombreuses fonctions biologiques différentes », explique Katharina Ribbeck, professeur de génie biologique à Andrew et Erna Viterbi. « Avec cette expansion rapide des connaissances, nous avons l’impression que nous commençons tout juste à comprendre à quel point ces fonctions sont diverses et importantes pour la biologie. »
Ayant mieux compris à quel point ces molécules sont omniprésentes et essentielles, les chercheurs dans des domaines appliqués tels que la biotechnologie et la médecine ont tourné leur attention vers la glycoscience comme outil permettant d’identifier les moteurs de la maladie.
De nombreuses affections ont été liées à des défauts dans la façon dont les glycanes sont produits dans le corps ou à des problèmes de glycosylation, le processus par lequel les glucides se lient aux protéines et à d’autres molécules. Cela inclut certaines formes de cancer. Il a même été démontré que les cellules cancéreuses s’enferment dans certaines glycoprotéines pour échapper à une réponse immunitaire.
D’un autre côté, les glycanes peuvent constituer un réservoir de produits thérapeutiques potentiels. Par exemple, l’héparine, un anticoagulant, l’un des médicaments sur ordonnance les plus vendus au monde, est un médicament à base de glucides.
Les glycanes et les protéines liant le sucre, comme les lectines, contribuent même à influencer l’échange de microbes à travers les couches de mucus du corps humain, du cerveau à l’intestin. Les glycanes suspendus au mucus interagissent avec les microbes, laissant entrer les bons microbes et réduisant la virulence des microbes problématiques en interrompant la signalisation cellulaire ou en empêchant les agents pathogènes de libérer des toxines.
De nouveaux outils pour faire progresser la science ancienne
Malgré l’importance cruciale de cette « enveloppe de sucre », les biologistes moléculaires se sont longtemps concentrés sur les acides nucléiques et les protéines, accordant relativement peu d’attention aux sucres qui les recouvraient.
« Les outils dont nous disposons pour examiner les fonctions d’autres molécules sont largement absents pour les glycanes », explique Kiessling, qui est également membre du Broad Institute du MIT et de Harvard.
Par exemple, le ADN et ARN Les séquences d’une cellule prédisent les protéines produites par cette cellule, afin que les scientifiques puissent suivre où se trouve une protéine et ce qu’elle fait à l’aide d’une étiquette codée génétiquement. Mais la structure des glycanes n’est pas aussi clairement codée dans l’ADN d’une cellule, et une seule protéine peut être décorée de nombreuses chaînes différentes de glucides.
En outre, l’immense diversité des formes que les glucides peuvent prendre et le fait qu’ils se décomposent rapidement dans le sang rendent difficile la synthèse des glycanes ou leur ciblage pour le développement de médicaments. De nouvelles méthodes créatives sont donc nécessaires pour les suivre.
C’est une situation classique de la poule et de l’œuf. À mesure que les scientifiques comprennent mieux l’importance des glycanes pour de nombreux processus biologiques, cela les a incités à développer de meilleurs outils pour étudier les glycanes, produisant ainsi encore plus de données sur ce que ces molécules peuvent faire. En 2022, en effet, le prix Nobel a été décerné à Carolyn Bertozzi de l’Université de Stanford, pionnière en glycobiologie, pour ses travaux sur le suivi des molécules dans les cellules, qu’elle et d’autres ont appliqués aux glycanes.
Mais l’intelligence artificielle pourrait faciliter un saut évolutif dans le domaine.
« Je pense que la glycobiologie est, plus que presque tout autre domaine, mûre et prête pour une interprétation de l’IA », dit Ribbeck, expliquant comment l’IA pourrait permettre aux scientifiques de lire le « code glycane » de la même manière qu’ils le font avec le génome humain. Cela permettrait aux chercheurs de prédire la fonction réelle d’un glycane sur la base de données sur sa structure. À partir de là, ils pourraient identifier les changements qui conduisent à la maladie ou augmentent la susceptibilité aux maladies et, plus important encore, trouver des moyens de réparer ces défauts.
Un effort inter et transdisciplinaire
L’intérêt croissant pour le calcul reflète l’interdisciplinarité inhérente qui définit la glycoscience depuis le début.
Au MIT, par exemple, des recherches connexes sont menées dans tout l’Institut. Kiessling décrit le MIT comme un « terrain de jeu pour la recherche interdisciplinaire », qui a permis des avancées significatives dans ce domaine avec des applications dans les domaines de la biotechnologie, de la recherche sur le cancer, des sciences du cerveau, de l’immunologie, etc.
Au département de chimie, Kiessling étudie les protéines liant les glucides et la manière dont leurs interactions avec les glycanes affectent le système immunitaire. Elle travaille également avec Bryan Bryson, professeur agrégé au Département de génie biologique, et Deborah Hung, membre principal du corps professoral du Broad Institute du MIT et de Harvard, en utilisant des analogues de glucides pour tester les différences entre les souches de tuberculose en Afrique du Sud. Pendant ce temps, Jessica Stark, professeure adjointe de génie biologique, est à l’avant-garde pour mieux comprendre le rôle des glycanes dans le système immunitaire. Tobi Oni, chercheur au Whitehead Institute for Biomedical Research, se tourne vers les glycanes pour aider à détecter et cibler les tumeurs du cancer du pancréas. Barbara Imperiali, professeur de biologie et de chimie de la promotion 1922, étudie les glucides qui enveloppent les cellules des microbes comme les bactéries, et le professeur Matthew Shoulders du département de chimie étudie le rôle des glycanes dans la synthèse et le repliement des protéines.
« Nous nous trouvons dans une position très excitante et unique, combinant des disciplines pour aborder et répondre à des questions entièrement nouvelles pertinentes pour les maladies et la santé », déclare Ribbeck. « Le domaine en soi n’est pas nouveau, mais ce qui est nouveau, c’est la contribution du MIT. , en particulier, pourrait réaliser avec une combinaison créative de science, d’ingénierie et de calcul.
