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Le voyage fantastique de la synthèse des protéines acellulaires : comment créer le code de la vie en laboratoire
Avec les progrès continus de la science et de la technologie, la synthèse des protéines acellulaires (CFPS) est progressivement devenue une technologie indispensable dans les domaines de la recherche biologique et pharmaceutique. Cette technologie permet aux chercheurs d’utiliser la machinerie biologique de la cellule pour synthétiser la protéine souhaitée sans recourir à des cellules vivantes.
Présentation
La synthèse des protéines acellulaires fonctionne en utilisant des extraits cellulaires, combinant des sources d'énergie, des acides aminés, des cofacteurs tels que le magnésium et de l'ADN contenant le gène à exprimer. En lysant les cellules et en éliminant les impuretés telles que les parois cellulaires, l'extrait cellulaire obtenu contient diverses machines biologiques nécessaires à la synthèse des protéines. Les systèmes acellulaires offrent une plus grande flexibilité dans le contrôle de l’environnement synthétique que la synthèse intracellulaire traditionnelle, ce qui rend la synthèse des protéines acellulaires plus avantageuse pour certaines applications.
L'environnement pour la synthèse des protéines acellulaires n'est pas limité par la paroi cellulaire ou l'homéostasie cellulaire.
Avantages et applications
La synthèse des protéines acellulaires présente de nombreux avantages évidents par rapport à la synthèse in vivo traditionnelle, le plus notable étant sa rapidité. La préparation aux réactions avec le CFPS ne prend généralement que 1 à 2 jours, tandis que l'expression des protéines dans les cellules vivantes peut prendre 1 à 2 semaines. De plus, la nature ouverte du CFPS permet aux chercheurs de contrôler directement l’environnement chimique, facilitant ainsi l’échantillonnage et la surveillance des réactions.
De plus, le CFPS est également capable de synthétiser efficacement des protéines toxiques, ce qui constituerait un obstacle lors de l’utilisation de cellules vivantes. Par conséquent, les systèmes sans cellules sont idéaux pour de nombreuses applications telles que :
- L'incorporation d'acides aminés non naturels dans les structures protéiques élargit le champ d'application du code génétique.
- Le CFPS a également montré son potentiel dans la synthèse de nanomachines et de modèles de circuits d'acide nucléique.
- Développer des particules de type virus à utiliser dans les vaccins, les traitements médicamenteux, etc.
Facteurs limitants
Bien que le CFPS présente plusieurs avantages, certains défis subsistent. En particulier en termes de dégradation de l'ADN, les nucléases endogènes présentes dans les extraits cellulaires sont particulièrement destructrices pour les modèles d'expression linéaire (LET). Les chercheurs ont découvert que même si l’ADN circulaire (tel que les plasmides) n’est pas affecté par les nucléases terminales, les LET sont vulnérables aux attaques de ces enzymes en raison de leurs caractéristiques structurelles. Par conséquent, de nombreuses études se concentrent actuellement sur l’amélioration du rendement des LET afin d’obtenir des résultats de performances comparables à ceux des plasmides.
Les chercheurs ont utilisé la protéine du bactériophage lambda gam pour protéger le LET, augmentant ainsi considérablement le rendement du CFPS.
Types de systèmes acellulaires
Les extraits acellulaires actuellement utilisés proviennent principalement d'Escherichia coli (E. coli), d'érythrocytes de lapin, de germe de blé, de cellules d'insectes et de levures, etc., et ils sont tous disponibles dans le commerce. L'extrait d'E. coli est le choix le plus populaire en raison de son faible coût et de son rendement efficace. Cependant, si plusieurs post-modifications sont effectuées sur la protéine, le système eucaryote correspondant doit être sélectionné pour obtenir de meilleures performances.
Lors de la sélection d'un extrait, des considérations doivent être prises en compte en fonction du type de post-modification souhaité, du débit et du coût.
Contexte historique
La synthèse des protéines acellulaires a une histoire de plus de 60 ans. Depuis les premières expériences menées par Marshall Nirenberg et Heinrich J. Matthaei aux National Institutes of Health en 1961, ils ont utilisé un système acellulaire pour traduire une chaîne d'ARN polyuracile. séquences et synthétisé avec succès uniquement les polypeptides contenant de la phénylalanine, établissant ainsi la connexion entre l'encodeur et l'acide aminé et favorisant le développement ultérieur de la biologie moléculaire.
Dans l'ensemble, le développement de la technologie de synthèse des protéines acellulaires et ses diverses perspectives d'application amènent les scientifiques à se demander si la science et la technologie futures peuvent dépasser davantage les frontières actuelles et obtenir des résultats plus étonnants à mesure que les scientifiques continuent d'explorer les mystères de la vie.
