Nouvelles tendances de la biologie synthétique acellulaire

La biologie synthétique acellulaire utilise les réactions biomoléculaires hors des cellules pour synthétiser des produits spécifiques ayant des applications en médecine, en agriculture, dans l’environnement et dans l’industrie, en particulier dans les domaines de la découverte de médicaments, du diagnostic, de la biosynthèse et de l’ingénierie métabolique.

Elle repose sur un système d’expression acellulaire qui utilise la machinerie cellulaire pour la transcription, la traduction et la régénération d’énergie extraite d’une cellule, ainsi que d’autres composants, pour effectuer des réactions biomoléculaires dans une cuve de réaction (figure 1) [1].
La nature ouverte du système permet de régler et d’optimiser les conditions de synthèse, ce qui permet la production à la demande de protéines présentant des caractéristiques spécifiques, dans divers environnements, y compris à l’intérieur de liposomes (pour créer artificiellement une cellule) et de microréseaux (pour le criblage de protéines) (figure 1).
En outre, le système permet une surveillance active et un échantillonnage rapide du milieu réactionnel, ce qui offre un meilleur contrôle du processus de synthèse. Étant donné qu’aucune étape de clonage fastidieuse n’est nécessaire et que la procédure peut être automatisée, l’ensemble du processus peut être réalisé en moins de temps que les systèmes cellulaires [2,3].

Figure 1 – Composants requis et exemples d’applications des systèmes de synthèse protéique acellulaire [1]. Reproduction autorisée.

Les systèmes de synthèse protéique acellulaires permettent de produire une grande diversité de protéines, telles que des protéines membranaires, des collections de protéines pour fabriquer des particules virales et des protéines modifiées par différents processus tels que la glycosylation, les ponts disulfures et les acides aminés non canoniques (Figure 1).

Tendances en CFPS entre 1990 et 2020

Les tendances de la synthèse protéique acellulaire ont été évaluées pour la période 1990-2020, sur la base du nombre de brevets et de publications dans le monde entier [1], et peuvent être regroupées dans les catégories suivantes :
(1) Evolutions de la synthèse protéique acellulaire,
(2) modifications des protéines,
(3) production de protéines difficiles à exprimer, et
(4) développement de nouvelles applications utilisant des protéines synthétisées à partir de cellules.

Pour toutes les tendances, une augmentation du nombre de brevets et de publications a été constatée au cours de la dernière décennie (figure 2). Les améliorations de la synthèse protéique acellulaire comprennent un meilleur accès aux kits commerciaux, la génération d’extraits modifiés et le développement de méthodes permettant d’optimiser les rendements de production des protéines.
La synthèse de protéines modifiées est également en nette progression, incluant des mécanismes de modifications post-traductionnelles, telles que les ponts disulfures, la glycosylation et l’incorporation d’acides aminés non canoniques. Ces modifications augmentent la fonctionnalité des protéines et permettent, par exemple, des transformations spécifiques ou un marquage fluorescent.
La production de protéines spécifiques, autrement difficiles à synthétiser, est également une tendance de la synthèse protéique acellulaire, par exemple les protéines thérapeutiques et membranaires. Enfin, les chercheurs se sont également intéressés à de nouvelles applications des protéines produites dans des systèmes acellulaires, notamment le développement de systèmes microfluidiques pour les réseaux de protéines, l’incorporation dans des cellules artificielles et la construction de kits pour la détection d’agents pathogènes ou de petites molécules.

Figure 2 – Brevets et publications par an, pour les diverses tendances du développement des CFPS [1]. Reproduit avec l’autorisation de l’auteur.

Alors que, dans les années 90, la synthèse protéique acellulaire était principalement dédiée à la synthèse de protéines spécifiques, en particulier de particules virales, l’accent a été mis ces dernières années sur la production de protéines liées à la membrane, de bibliothèques de protéines, de produits thérapeutiques et de diagnostics.

Les améliorations apportées à la CFPS au cours de la décennie 2000-2010 ont permis d’allonger les durées de réaction, de réduire les coûts et d’améliorer la fonctionnalité des protéines, ce qui s’est traduit par une disponibilité accrue des systèmes CFPS et une curiosité croissante pour l’innovation dans les autres catégories.

Les applications présentant un plus grand intérêt commercial comprennent la production de protéines thérapeutiques et de molécules bioactives telles que les vaccins conjugués et les analogues d’anticorps, les tests immédiats sur le lieu de prélèvement pour les agents pathogènes et les contaminants de l’eau, les plateformes peu coûteuses pour l’enseignement de la biologie et la découverte et l’optimisation d’enzymes pour fabriquer des produits chimiques de base, des produits naturels et des biomatériaux.
Bien que certaines difficultés persistent, à savoir le prix et l’évolution vers une échelle industrielle, les améliorations apportées aux systèmes CFPS à petite échelle ont permis de réduire le cycle conception-construction-essai, permettant ainsi le criblage rapide de bibliothèques de protéines.

Conclusion

En conclusion, la synthèse protéique acellulaire est un domaine mature de la biologie synthétique acellulaire, tant au niveau du développement des systèmes que des applications, comme le montre l’augmentation de la recherche et de la mise en œuvre industrielle.

Dans un avenir proche, il sera essentiel de mettre l’accent sur le contrôle de la qualité pour fournir des produits acellulaires destinés à des utilisations pratiques, en particulier des produits thérapeutiques à la demande et la détection au point d’intervention. La réduction des coûts et la possibilité d’augmenter l’échelle des réactions permettront d’intégrer ces systèmes dans les flux de travail de routine des laboratoires. La possibilité de stocker, de distribuer et d’activer facilement les systèmes acellulaires lyophilisés en y ajoutant de l’eau permettra la bioproduction à la demande et les diagnostics sur le lieu de soins.

Enfin, la création de kits éducatifs et de cours permettra d’accroître l’exposition à la technologie CFPS et d’élargir sa perception.

Rédigé par Luísa Silva, PhD et rédacteur scientifique.

Synthelis

Depuis 2011, Synthelis a développé un système propriétaire d’expression acellulaire combiné à un solide savoir-faire pour définir des conditions optimisées de CFPS afin de produire presque n’importe quelle protéine d’intérêt. Si vous avez un projet nécessitant le développement rapide et efficace de protéines, n’hésitez pas à nous contacter…

Sources