Les systèmes acellulaires développent rapidement le potentiel de la biologie synthétique, ouvrant la voie à une vague d’applications dans les organismes vivants.

Lors de l’ingénierie d’un organisme, la plupart des laboratoires synthétisent des gènes, les insèrent dans des cellules et voient si l’effet souhaité se produit. Il existe de nombreuses limites à cette approche. Le processus peut prendre beaucoup de temps et souvent, les gènes ne «fonctionnent» pas comme prévu. Par conséquent, nombreux sont ceux qui, sur le terrain, considèrent désormais les systèmes acellulaires — un outil in vitro pour étudier la biologie — comme une approche facilement accessible pour les gènes prototypes avant qu’ils ne soient insérés dans une cellule vivante. Les systèmes acellulaires possèdent certains avantages cruciaux par rapport aux organismes vivants et peuvent être fabriqués à partir d’extraits de cellules entières ou de composants purifiés individuellement, tels que le système PURE.

Les systèmes acellulaires peuvent être utilisés pour produire des toxines avec des rendements élevés, contrairement aux cellules vivantes, et des composants peuvent généralement être ajoutés ou supprimés sans conséquence, alors que la suppression d’une protéine in vivo pourrait tuer la cellule.

Production de protéines 2.0: débloquer des produits chimiques non naturels

Mais beaucoup ne voient pas encore tout le potentiel des systèmes sans cellules : C’est une approche incroyablement puissante pour disséquer des problèmes biologiques complexes. Des laboratoires de biologie synthétique exploitent désormais des systèmes acellulaires pour produire des protéines aux propriétés chimiques non naturelles, créer des prototypes de voies métaboliques et même détecter des biomolécules d’importance clinique en quelques minutes à peine.

Les systèmes acellulaires sont utilisés depuis longtemps pour produire des protéines, car la préparation d’un extrait ne prend que quelques jours et que des protéines toxiques peuvent être produites alors que l’environnement chimique est étroitement contrôlé. Mais certains laboratoires cherchent au-delà de la production de protéines naturelles.

Dans les organismes vivants, les acides aminés non naturels sont généralement incorporés dans les protéines avec une méthode appelée Stop Codon Suppression. Dans cette méthode un codon stop, typiquement un codon utilisé rarement, comme UAG, est réaffecté à la production d'une autre protéine. De cette manière, un ARNt orthogonal qui reconnaît UAG peut être exprimé, mais au lieu de signaler à la traduction de s’arrêter, il intègre un acide aminé non naturel. Plus de 100 acides aminés non naturels ont été incorporés dans des protéines en utilisant cette approche.

Par rapport aux cellules vivantes, les systèmes acellulaires ont une tolérance plus élevée à la toxicité causée par des composants non naturels, aucune barrière membranaire cellulaire ne limite le transport des acides aminés non naturels, un contrôle plus souple de la réaction est possible en ajustant librement la composition du système et il y a une efficacité d’incorporation plus élevée acides aminés non naturels.

Alors que les biologistes synthétiques adoptent des systèmes acellulaires pour produire des protéines décorées avec des acides aminés non naturels, d’autres appliquent avec empressement de nouvelles capacités pour sonder simultanément des dizaines de protéines en interaction.

Au-delà de la production de protéines: des systèmes acellulaires pour le prototypage de voies

Les systèmes acellulaires sont plus qu’un outil de prototypage de parties génétiques autonomes.

Ce sont des outils pour tester des voies métaboliques entières. En créant de nombreux extraits de cellules, chacun avec une seule partie de la voie exprimée, il est possible de transformer des systèmes sans cellules en un système modulaire pouvant être utilisé pour assembler toute voie désirée in vitro. Cette approche intelligente, associée à l’automatisation et à l’apprentissage automatique, pourrait accélérer considérablement la manière dont les scientifiques testent des combinaisons de voies métaboliques. Néanmoins, il existe des limites fondamentales à notre capacité d’appliquer les résultats de systèmes sans cellules à des organismes vivants.

Capteurs à la demande

L’abondance de données que permet cette approche permet même d’aller au-delà des voies métaboliques; cela pourrait également s’avérer utile pour la création de systèmes acellulaires pour la biosonde clinique.

Les cellules détectent constamment leur environnement, réagissent aux signaux et agissent avec précaution. Il s’ensuit naturellement que la brillante réactivité et la programmabilité de la biologie pourraient ensuite être mises à profit pour détecter des molécules d’importance clinique pour l’homme.

Des systèmes sans cellules ont été mis au point pour les applications de biodétection, dans le but de permettre de diagnostiquer avec précision les maladies en quelques minutes plutôt qu’en quelques heures.

Les biocapteurs se sont concentrés sur l’application de systèmes acellulaires pour concevoir des biocapteurs codés génétiquement qui mesurent des biomarqueurs dans des échantillons cliniquement pertinents. Bien que de nombreux modèles de biocapteurs fonctionnent en laboratoire, rares sont ceux qui ont été testés sur de vrais échantillons cliniques.

La raison pour laquelle les systèmes sans cellules sont préférables aux systèmes vivants [comme biosenseurs] dans certains contextes est que les tests sont économiques, rapides, quantitatifs, évolutifs et automatisés, et reproductibles. Ils offrent également des avantages pour la biocapture en ce sens qu’ils peuvent être lyophilisés sur des surfaces telles que le papier, ils ne sont pas des organismes génétiquement modifiés et sont donc plus acceptables pour une utilisation en environnement clinique et sur le terrain.

Dans les années à venir, des systèmes sans cellules seront de plus en plus utilisés en clinique, en particulier dans les situations où un test préliminaire rapide est souhaitable.

Un avenir plus éloigné sans cellules

Yuan Lu, par exemple, envisage l’utilisation de systèmes sans cellules dans d’autres domaines que la biologie. «Pour que cela se produise, les systèmes acellulaires ne peuvent pas simplement se concentrer sur la transcription et la traduction biologiques», dit-il. «Pour parvenir à un développement révolutionnaire, les systèmes sans cellules doivent être fortement intégrés à la science des matériaux, aux neurosciences, au génie électronique, à l’impression 3D, à l’intelligence artificielle et à d’autres technologies de la prochaine génération.»

Ashty Karim pense que les systèmes sans cellules seront de plus en plus utilisés pour des applications «à utilisation directe». «Nous commencerons à considérer les capteurs sans cellules comme des diagnostics dans les domaines de l’agriculture, de la défense et de la médecine, et nous verrons la biofabrication à la demande de thérapies, de vaccins et de produits de base», a-t-il déclaré, soulignant que ces progrès sont rendus possibles par des améliorations des extraits préparations et mélanges sans cellules, tels que «des systèmes sans cellules pouvant glycosyler des protéines et des systèmes sans cellules contenant des facteurs de transcription orthogonaux».

L’application la plus ambitieuse de systèmes sans cellules, illustrée par le consortium Build-a-Cell, vise à construire une cellule synthétique minimale à partir de rien. Selon Paul Freemont, un membre du consortium, cet effort sera facilité par des systèmes sans cellules. Il explique que «Si nous construisons une série de modules qui imitent divers aspects des systèmes vivants [dans les systèmes sans cellules] comme la motilité, la détection et la régulation, alors le véritable défi sera de savoir comment mettre en interface ces différents modules pour produire une cellule synthétique plus complexe. ".

L'importance de l'ingénierie des protéines pour diverses applications, des ingrédients alimentaires aux soins de santé, n'est pas un secret. En utilisant des outils de biologie synthétique, nous pouvons créer des enzymes de plus en plus précises et élégantes optimisées pour d'innombrables fonctions nouvelles et utiles. La technologie des anticorps est l’une des technologies les plus critiques et les plus prometteuses des dernières années. Elle pourrait potentiellement changer la vie de millions de personnes souffrant de diabète, de cancer et d’autres affections débilitantes.

Pourtant, les approches actuelles de conception de bibliothèques d'anticorps artificiels - les variantes - visant à identifier celles qui conviennent parfaitement à la maladie cible souffrent d'un manque de contrôle, et d'un manque de précision, en plus de consommer beaucoup de temps.

Ainsi parfois près avoir passé des mois à créer et à tester des variantes, les chercheurs risquent d'être bloqués dans leur quête, car ils n’ont pas pu produire la variante essentielle dont ils avaient besoin.

Il existe une meilleure approche - une approche encore confidentielle. Mais cela va probablement changer bientôt.

Le couvercle est sur le point de se lever sur le secret le mieux gardé du processus de découverte de médicaments.

Aaron Sato, est le CSO de Twist Biopharma et est vice-président de l'ingénierie des protéines chez Twist Bioscience. Son groupe d'ingénierie des protéines s'est développé rapidement et forme une équipe soudée de douze personnes qui ont prouvé leur savoir-faire.

Une grande partie de ce succès est due aux nombreuses ressources misent à disposition de son équipe, non disponibles dans les entreprises de biotechnologie traditionnelles de la taille de Twist.

Leur technologie de bibliothèque de variants d’anticorps est unique en ce qu’elle est précise, couvre de manière impartiale et complète les variants d’anticorps, n’introduit pas de passif de codons d'arrêt / de séquences et, comme tous les produits Twist, utilise NGS pour confirmer et garantir les séquences d'anticorps.

L'une des études de validation de concept de bibliothèque de Twist Bioscience, dirigée par David Ӧling et ses collègues de l'unité des médicaments innovants et du développement précoce de la biotechnologie d'AstraZeneca (et avec des collaborateurs de l'Imperial College London) a démontré que la technologie de la bibliothèque de Twist produisait 99,9% du nombre maximal prévu de variantes d’acides aminés, alors que la PCR numérique, n'en fournit que 35%. Plusieurs de celles-ci qui ont été identifiés par la bibliothèque Twist - mais pas la bibliothèque produite par ePCR - se sont révélés être critiques en tant que candidats au développement potentiel de médicaments.

«Je pense que nous sommes à la pointe du progrès en matière d'ingénierie des protéines», déclare Sato.

Pour le moment, de nombreuses études de validation de principe sont réalisées en collaboration avec des groupes universitaires, tels que le centre médical de l'université Vanderbilt, et des entreprises plus petites. Selon Sato, les petites entreprises sont les partenaires idéaux, car elles sont prêtes à prendre un risque pour essayer une nouvelle technologie révolutionnaire telle que la technologie de bibliothèque de variantes de protéines de Twist. Ils considèrent Twist comme un partenaire avec lequel ils peuvent travailler pour trouver une solution à un problème qu’ils ne savent pas résoudre, qu’il s’agisse d’une cible spécifique ou d’une thérapie cellulaire spécifique, qui rend ces partenariats extrêmement fructueux.

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Renforcer les thérapies qui changent la vie

Cependant, ce n’est qu’une question de temps avant que les grandes sociétés pharmaceutiques commencent à reconnaître la puissance de cette technologie, dit Sato. Dans un proche avenir, Twist Bioscience disposera de bibliothèques de synthèse supplémentaires pour d'autres classes cibles.

Ce n'est que le début d'une nouvelle ère dans le domaine de la médecine, et Twist envisage de montrer la voie. Par exemple, Twist est particulièrement bien placé pour aider les entreprises du secteur des thérapies CAR-T, car l’approche dépend du fonctionnement des anticorps. Ces sociétés peuvent utiliser les bibliothèques d’anticorps synthétiques de Twist pour découvrir rapidement des molécules de ciblage qu’elles peuvent simplement intégrer à leur plateforme CAR T.

«Bientôt, annonce Emily Leproust, PDG de Twist, les gens se rendront compte de la puissance de cette technologie, qui, nous en sommes persuadés, changera la façon dont la découverte de médicaments est réalisée et peut changer pour le mieux la vie de nombreuses personnes.»