Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode pour concevoir des enzymes plus efficacement en utilisant un algorithme qui prend en compte leur histoire évolutive. Cette méthode permet des mutations ciblées qui améliorent les performances et la stabilité des enzymes. L'approche a été démontrée sur l'enzyme bêta-lactamase, montrant que des modifications substantielles des séquences d'acides aminés peuvent améliorer la fonctionnalité sans altérer la structure de l'enzyme. Cette percée a des applications potentielles dans diverses industries, notamment la production alimentaire et les soins de santé.
Une nouvelle méthode d’ingénierie enzymatique utilise des données évolutives pour améliorer les performances des enzymes, promettant des progrès significatifs dans les soins de santé et les applications industrielles.
Les chercheurs ont développé un prototype pour une nouvelle méthode permettant de « concevoir rationnellement » des enzymes pour améliorer leurs performances. Ils ont créé un algorithme qui prend en compte l’histoire évolutive des enzymes pour identifier les sites potentiels de mutations susceptibles d’améliorer la fonctionnalité.
Leur travail – publié dans une revue de premier plan Communications naturelles – pourrait avoir des impacts importants et de grande envergure sur toute une série d’industries, de la production alimentaire à la santé humaine.
Les enzymes sont essentielles à la vie et essentielles au développement de médicaments et d'outils innovants permettant de relever les défis de la société. Ils ont évolué sur des milliards d'années grâce à des changements dans les acides aminés. acide séquence qui sous-tend leur structure 3D. Comme des perles sur un fil, chaque enzyme est composée d'une séquence de plusieurs centaines de acides aminés qui code sa forme 3D.
Fonctionnalité et diversité des enzymes
Avec une des 20 « perles » d’acides aminés possibles à chaque position, il existe une énorme diversité de séquences possibles dans la nature. Lors de la formation de leur forme 3D, les enzymes remplissent une fonction spécifique telle que digérer nos protéines alimentaires, convertir l'énergie chimique en force dans nos muscles et détruire les bactéries ou les virus qui envahissent les cellules. Si vous modifiez la séquence, vous pouvez perturber la forme 3D, ce qui modifie généralement la fonctionnalité de l'enzyme, la rendant parfois complètement inefficace.
Trouver des moyens d’améliorer l’activité des enzymes serait extrêmement bénéfique pour de nombreuses applications industrielles et, grâce aux outils modernes de biologie moléculaire, il est simple et rentable de modifier les séquences d’acides aminés pour faciliter l’amélioration de leurs performances. Cependant, l’introduction aléatoire de seulement trois ou quatre modifications dans la séquence peut entraîner une perte considérable de leur activité.
Ici, les scientifiques rapportent une nouvelle stratégie prometteuse pour concevoir rationnellement une enzyme appelée « bêta-lactamase ». Au lieu d’introduire des mutations aléatoires selon une approche dispersée, des chercheurs du Broad Institute et de la Harvard Medical School ont développé un algorithme qui prend en compte l’histoire évolutive de l’enzyme.
Algorithme et résultats
« Au cœur de ce nouvel algorithme se trouve une fonction de notation qui exploite des milliers de séquences de bêta-lactamase provenant de nombreux organismes divers. Au lieu de quelques changements aléatoires, jusqu'à 84 mutations sur une séquence de 280 ont été générées pour améliorer les performances fonctionnelles », a déclaré le Dr Amir Khan, professeur agrégé à l'école de biochimie et d'immunologie du Trinity College de Dublin, l'un des co-auteurs de la recherche. .
« Et ce qui est frappant, c'est que les enzymes nouvellement conçues présentaient à la fois une activité et une stabilité améliorées à des températures plus élevées. »
Eve Napier, doctorante de deuxième année au Trinity College de Dublin, a déterminé la structure expérimentale 3D d'une bêta-lactamase nouvellement conçue, en utilisant une méthode appelée cristallographie aux rayons X.
Sa carte 3D a révélé que malgré des modifications de 30 % des acides aminés, l’enzyme avait une structure identique à celle de la bêta-lactamase de type sauvage. Elle a également révélé comment des changements coordonnés dans les acides aminés, introduits simultanément, peuvent stabiliser efficacement la structure 3D – contrairement aux changements individuels qui altèrent généralement la structure enzymatique.
Eve Napier a déclaré : « Dans l'ensemble, ces études révèlent que les protéines peuvent être conçues pour améliorer leur activité par des « sauts » spectaculaires dans un nouvel espace de séquences.
« Ce travail a des applications très diverses dans l'industrie, dans les processus qui nécessitent des enzymes pour la production alimentaire, des enzymes dégradant le plastique et ceux liés à la santé et aux maladies humaines. Nous sommes donc très enthousiasmés par les possibilités futures. »
