une histoire de mutants zombies au service de la science

Pour Maria Zapata Cruz, Laura Tomas Gallardo y Alejandro Diaz Moscoso (SCCI)*

Las protéines Ce sont les molécules qui remplissent les fonctions les plus diverses chez les êtres vivants. Entre bien d’autres chosescomposent nos organes et nos tissustout comme le collagène ; renforcer nos défenses sous forme d’anticorps ; et effectuer le métabolismecomme les enzymes qui transforment les nutriments en énergie et autres molécules nécessaires à la vie.

De plus, les protéines sont très utiles à l’extérieur de l’organisme : les Test RCP (Polymerase Chain Reaction), devenue célèbre lors de la pandémie de COVID-19, ou outils d’édition de gènes CRISPR-Cas, connus sous le nom de “ciseaux moléculaires”, fondent leur fonctionnement sur ces ingrédients de base de la vie. Et il en va de même pour les médicaments comme l’insuline et certains vaccins.

Pour tout cela, fabriquer des protéines suscite un grand intérêt scientifique et industriel. Nous devons les produire pour exécuter ces applications et analyser leur comportement dans des conditions contrôlées, ce que nous faisons dans le Centre andalou de biologie du développement afin de mieux comprendre son fonctionnement.

Cependant, créer une protéine en laboratoire en liant un à un les acides aminés qui la composent peut être très lent et laborieux : dans chaque protéine, des centaines de ces molécules sont généralement liées pour former une chaîne. Une solution très pratique pour obtenir des protéines est de “détourner” la machinerie naturelle des cellules pour qu’ils fassent le travail, c’est-à-dire qu’ils obtiennent des cellules qui fabriquent les protéines qui nous intéressent.

apprivoiser les bactéries

Nous expliquerons cette procédure un peu plus en détail. Pour cela, nous devons savoir que les instructions pour fabriquer une protéine se trouvent dans l’ADN. Dans le code génétique, il y a un gène avec les instructions pour créer chaque protéine en unissant d’une certaine manière les vingt types d’acides aminés qui existent dans la nature.

Les acides aminés sont chimiquement liés les uns aux autres par un ‘liaison peptidique‘. On pourrait envisager d’avoir vingt bocaux en laboratoire, chacun avec un acide aminé différent, et de les assembler comme indiqué par le gène correspondant pour fabriquer la protéine qui nous intéresse. Mais, comme nous l’avons vu, les êtres vivants disposent d’une machinerie cellulaire beaucoup plus efficace pour former ces liens.

Différents types de cellules peuvent être utilisées pour fabriquer des protéines, mais la plus populaire parmi les scientifiques est sans aucun doute Escherichia coliune bactérie qui vit naturellement dans l’intestin des humains et d’autres animaux en bonne santé. Au cours des dernières décennies, nous avons appris à élever cette bactérie en laboratoire et elle s’est avérée être un «animal de compagnie» très reconnaissant et très facile à entretenir.

Il peut vivre dans une large gamme de températures; même rester figés pendant de longues périodes de temps et ensuite retrouver leur activité normale comme si de rien n’était. De plus, son alimentation est très bon marché et pousse très vite, à tel point qu’il est capable de doubler en seulement vingt minutesce qui permet d’avoir une « armée » de millions de bactéries en une seule journée.

Mais le plus important est que nous avons appris à introduire des gènes d’autres êtres vivants dans Escherichia coli d’une manière très simple (ce qu’on appelle ‘l’ADN recombinant’). Cela permet à un gène ayant pour instruction de fabriquer une protéine à partir de n’importe quel autre être vivant d’être inséré dans la bactérie, c’est-à-dire de créer un mutant.

Peu importe que le gène provienne d’une autre bactérie, d’un poisson, d’une mouche, d’une souris, d’une plante, d’un loup ou d’un être humain. Depuis la base moléculaire de la vie, le langage de l’ADN et la synthèse des protéines sont les mêmes chez tous les êtres vivants de cette planète, la machinerie des bactéries est capable de construire n’importe quelle chaîne d’acides aminés (protéine) quelle que soit leur origine génétique.

Cependant, tout n’est pas si simple. Aussi petites soient-elles, les bactéries ne sont pas bêtes et elles ne vont pas se mettre à synthétiser, comme ça, une protéine étrangère qui ne leur est d’aucune utilité ou qui pourrait même leur nuire. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont obtenu des bactéries capables de lire le gène d’intérêt uniquement lorsque nous voulons qu’elles le lisent.

En ajoutant une substance spécifique à la culture bactérienne, elles perdent partiellement le contrôle de leurs actions et commencent à fabriquer la protéine que nous voulons comme si leur vie en dépendait. Et c’est comme ça qu’on a une armée de bactéries mutantes et de zombies qui fait le dur labeur de fabriquer la protéine qui nous intéresse.

Plaques de culture avec différentes bactéries mutantes. Chaque point blanc est une colonie de bactéries composée de millions de cellules qui s’est développée à partir d’une seule cellule.

Et le mien ?

Enfin, il reste un dernier problème à résoudre. La grande majorité du temps, la production d’une seule protéine étrangère ne suffit pas pour que les bactéries changent d’apparence. Ils n’ont ni ailes, ni griffes, ni yeux, ni quoi que ce soit qui permette de les distinguer. À l’œil nu, une bactérie normale et une bactérie mutante se ressemblent exactement.. Pour savoir si nos bactéries mutantes ont fabriqué la protéine que nous voulions, nous devons détruire la bactérie et voir si, parmi tout le mélange de protéines qu’elles fabriquent normalement pour vivre, la nouvelle est trouvée.

Différentes caractéristiques peuvent être utilisées qui permettent de distinguer certaines protéines des autres dans ce mélange. L’une des caractéristiques les plus utilisées est sa taille. Dans n’importe quelle cellule, nous pouvons trouver des protéines de très grandes à très petites, selon la longueur de la chaîne d’acides aminés qui les forment. Et puisque nous pouvons connaître la séquence en acides aminés de la protéine qui nous intéresse à partir du gène que nous avons préalablement introduit dans la bactérie, nous pouvons calculer sa taille.

Pour séparer les protéines selon leur taille, nous utilisons une technique appelée ‘électrophorèse‘. Etymologiquement, ce terme est issu de l’union des mots ‘électro-‘, qui désigne l’utilisation de l’électricité, et ‘-phorèse’, qui en grec signifie ‘transport’. La technique consiste à mettre le mélange de protéines dans un milieu qui leur fait acquérir une charge négative. Un courant électrique est alors appliqué au mélange qui amène les protéines chargées négativement à se déplacer vers un pôle positif (anode).

Sur leur chemin, nous les forçons à traverser un gel qui forme un réseau de microtunnels. Frappant cet obstacle, les petites protéines pourront se déplacer beaucoup plus rapidement que les grandes, qui resteront à la traîne. Plus ils sont retardés, plus ils sont grands. Ainsi, en coupant le courant électrique et en voyant le résultat de la « course », on observera des bandes qui correspondent à des protéines de tailles différentes. Les plus petits près du pôle positif et les plus grands près du point de départ.

En comparant le modèle de bandes des bactéries de type sauvage avec celui des bactéries mutantes, nous devrions être en mesure de voir une seule différence. Une protéine qui se trouve dans le mélange de bactéries mutantes, qui n’est pas dans les bactéries naturelles et qui a la taille calculée pour la protéine qui nous intéresse. Si c’est le cas, prix !!, nous aurons réussi à faire en sorte que la bactérie mutante zombie fabrique la protéine dont nous avions besoin.

Exemples d’électrophorèse de protéines. Chacun comporte 3 voies : une avec un échantillon de référence de taille (Ref), une autre avec le mélange de bactéries naturelles (Nat) et une autre avec le mélange de bactéries mutantes (Mut). La nouvelle protéine est indiquée par une flèche.

* Maria Zapata Cruz, Laura Tomas Gallardo y Alejandro Diaz Moscoso sont l’équipe technique de la Plateforme Protéomique et Biochimie du Centre andalou de biologie du développementcentre mixte du CSIC et de l’Université Pablo de Olavide de Séville.

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