Le futur
de la biologie
structurale
est bio.

Les analyses de biologie structurale sont réalisées à l’aide de techniques d’imagerie telles que la cryo-microscopie électronique (cryo-EM), la cristallographie aux rayons X, la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) et la diffusion des rayons X aux petits angles, ainsi que la modélisation informatique, afin de déterminer la structure tridimensionnelle des macromolécules biologiques à l’échelle atomique. Ces techniques permettent d’observer des molécules isolées mais aussi des structures plus importantes telles que les complexes moléculaires (notamment l’association de protéines et/ou d’acides nucléiques formant une unité fonctionnelle), les virus et les organites.

Le marché mondial de la biologie structurale connaît une expansion rapide dans le monde entier (figure 1), car elle joue un rôle central dans la compréhension de l’arrangement et du pliage complexe des protéines, des acides nucléiques, des glucides et des membranes lipidiques. Le segment du drug discovery devrait capter la plus grande part de marché.

Une des principales difficultés de la biologie structurale est la prédiction ou la modélisation de la structure des protéines. Des approches informatiques, en parallèle avec des techniques expérimentales de détermination de structure, ont été développées pour prédire la structure 3D des macromolécules, leur dynamique et leurs interactions. Deux stratégies principales ont été employées pour y parvenir, à savoir les approches basées sur des modèles et des réseaux neuronaux (deepl learning) [1,2]. Afin de comprendre comment les macromolécules fonctionnent dans un environnement complexe natif et générer un modèle intégré multi-échelle de cellules entières, une approche de biologie structurale intégrative sera nécessaire. Rassembler les améliorations et l’expansion des ensembles de formation structurale pour améliorer la modélisation, et intégrer diverses données provenant de domaines complémentaires comme la protéomique (figure 2).

La synthèse de protéines en système acellulaire (CFPS) utilisant des lysats cellulaires d’Escherichia coli a été appliquée avec succès à la préparation d’échantillons de protéines pour la détermination de la structure par cristallisation aux rayons X et spectroscopie RMN. Plusieurs milligrammes de protéines peuvent être synthétisés par dialyse de la réaction acellulaire en quelques heures. Une grande variété de protéines peut ainsi être produite, y compris les protéines de mammifères, les complexes protéiques hétéromultimériques et les protéines membranaires, ce qui représente un avantage majeur sur les méthodes d’expression de protéines recombinées avec des cellules hôtes bactériennes et eucaryotes.

La synthèse acellulaire permet de repousser l’une des limites de l’analyse structurale des protéines, à savoir la production de protéines cibles à haut rendement et de haute pureté. Une méthode a été développée pour générer des protéines fonctionnelles de différentes tailles provenant de multiples organismes hôtes et sources d’ADN à l’échelle moléculaire, en utilisant un système d’expression acellulaire de protéines à base de germes de blé eucaryote [3]. Le système a été capable de produire des protéines avec un haut niveau de pureté (> 98 %) compatibles avec les trois principaux formats d’échantillons protéiques utilisés pour la biologie structurale, y compris l’analyse par particules uniques au microscope électronique et la cristallographie bidimensionnelle et tridimensionnelle des protéines.
En outre, en utilisant un ribosome eucaryote, le système sans cellules permettrait la synthèse de protéines eucaryotes complexes, y compris, par exemple, des complexes protéiques et des protéines membranaires [4].