Technologies
Cell-Free.
Des technologies innovantes pour accélérer l’expression et la production de protéines destinées aux sciences du vivant, aux biotechnologies et à la pharmacie.
L’expression cell-free de protéines, ou expression acellulaire de protéines, est une technologie innovante qui repose sur l’utilisation d’un milieu réactionnel contenant un extrait cellulaire conservant l’appareil de transcription-traduction actif, une source d’énergie et les briques nécessaires à l’assemblage d’ARNm puis de protéines. Ce système, en s’affranchissant des contraintes physiologiques de la cellule intacte, offre un environnement biochimique contrôlé et optimisé pour la synthèse de protéines recombinantes.
En combinant rapidité d’expression, grande flexibilité expérimentale et capacité de scale-up linéaire, le CFPS représente aujourd’hui une solution efficace pour accélérer les cycles de développement et produire des protéines de manière fiable et adaptable, depuis les phases de criblage jusqu’à des volumes de production plus importants.
De plus en plus employée en recherche fondamentale et en biotechnologie, elle permet d’aborder l’étude et la production de protéines parfois peu accessibles par les systèmes hétérologues classiques, notamment dans des contextes de tests de constructions génétiques, d’expression de protéines potentiellement toxiques pour les cellules, de biologie structurale ou d’études fonctionnelles.
Qu’est-ce que l’expression cell-free de protéines ?
L’expression acellulaire de protéines désigne un système où la synthèse protéique se réalise en dehors d’une cellule vivante. La machinerie biologique nécessaire à la transcription et à la traduction est extraite d’organismes (bactéries, levures, cellules d’insectes ou de mammifères) puis utilisée in vitro dans un milieu réactionnel contrôlé. Ce principe, souvent regroupé sous le terme CFPS (Cell-Free Protein Synthesis) (voir le glossaire) reproduit les étapes fondamentales de l’expression génique tout en s’affranchissant des contraintes liées à la croissance, à la viabilité ou à la régulation cellulaire.
Employée en recherche académique comme en biotechnologie, cette approche innovante s’inscrit dans la continuité des systèmes d’expression hétérologue tout en proposant un cadre expérimental flexible et adaptable, pour la production et l’étude de protéines.
Comment fonctionne un système d’expression acellulaire ?
Principe général de la synthèse des protéines en système cell-free
Le « cell-free protein synthesis » (CFPS) repose sur une idée simple : utiliser la machinerie de synthèse de la cellule sans conserver la cellule elle-même. Après la lyse, les composants nécessaires à l’expression génique restent actifs dans un extrait biologique, appelé lysat ou extrait cellulaire.
Cet extrait est complémenté d’une source d’énergie, des nucléotides, des acides aminés et des additifs adaptés, qui permettront la synthèse d’ARNm puis de protéines recombinantes.
Dans ce milieu réactionnel optimisé, on ajoute directement une matrice d’ADN ou d’ARN codant la protéine d’intérêt. Les enzymes et cofacteurs présents réalisent alors les mêmes étapes que dans une cellule vivante : lecture du gène, production d’ARN messager puis synthèse de la protéine.
Le système fonctionne ainsi comme une “cellule ouverte”. L’environnement biochimique est contrôlé expérimentalement et ne dépend plus de la croissance cellulaire, ce qui permet d’accéder rapidement à la production protéique.
Transcription et traduction in vitro
Une fois la matrice génétique ajoutée, la réaction suit une séquence logique proche de l’expression génique naturelle:
- Transcription : l’ADN matrice est reconnu par l’ARN polymérase qui synthétise l’ARN messager.
- Initiation de la traduction : le ribosome se fixe sur l’ARNm avec les facteurs d’initiation.
- Élongation : les ARNt apportent successivement les acides aminés correspondants à la séquence codée.
- Terminaison : la chaîne polypeptidique est libérée.
L’ensemble se déroule in vitro, en système ouvert. Dans certains cas, un ARN messager peut aussi être ajouté directement, ce qui court-circuite l’étape de transcription.
Cette expression protéique acellulaire permet donc une synthèse rapide, observable et modulable, caractéristique du CFPS.
ÉTAPE 1 – PREPARATION DU MELANGE REACTIONNEL
Rôle des lysats cellulaires
Le cœur du système est constitué par les lysats cellulaires (voir le glossaire – lysat). Il s’agit d’extraits obtenus après rupture contrôlée de cellules (souvent E. coli, mais aussi levures, cellules d’insectes ou de mammifères), dans lesquels l’appareil de transcription-traduction reste fonctionnel.
Ces lysats contiennent notamment :
- des ARN polymérases, qui assurent la transcription de l’ADN en ARNm
- des facteurs d’initiation, d’élongation et de terminaison, nécessaires au bon déroulement de la transcription
- des ribosomes, responsables de l’assemblage des acides aminés en chaîne polypeptidique
- ARNt et enzymes associées, qui permettent de transporter les acides aminés jusqu’aux ribosomes pour leur incorporation dans la protéine
- des chaperonnes moléculaires, qui facilitent le repliement correct des protéines nouvellement synthétisées et limitent leur agrégation
- des systèmes énergétiques et des cofacteurs
Ces composés sont essentiels car ils déterminent directement la capacité du système à produire une protéine correctement synthétisée et repliée. Les propriétés de la synthèse protéique seront d’une part dépendante du lysat cellulaire mais elles pourront être améliorées par l’ajout d’additifs dans le mix réactionnel.
Rôle des additifs réactionnels
L’utilisation de lysats pour produire des protéines recombinantes en dehors de la cellule permet d’agir directement sur les conditions réactionnelles : composition du milieu, additifs, lipides, cofacteurs, ligands ou partenaires protéiques peuvent être introduits sans contrainte de toxicité ou de perméabilité membranaire. Le chercheur manipule donc l’environnement biochimique de la traduction, ce qui est difficilement accessible en culture cellulaire classique.
Les réactions de CFPS sont complémentées avec :
- Un système de régénération d’énergie, qui fournit l’ATP et le GTP nécessaires aux étapes énergivores de la transcription et de la traduction
- Des bio-briques, telles que les NTP et les acides aminés, permettant respectivement la synthèse des ARNm et l’assemblage des protéines
- Des cofacteurs et sels essentiels, qui stabilisent les enzymes et maintiennent des conditions biochimiques optimales pour le fonctionnement du système CFPS
Il est également possible d’ajouter des additifs spécifiques selon les propriétés de la protéine à exprimer tels que :
- Des détergents ou lipides, pour faciliter la synthèse de protéines hydrophobes ou membranaires
- Des ions ou co-facteurs, pour stabiliser certaines enzymes
- Des chaperonnes moléculaires, pour favoriser le repliement correct de certaines protéines complexes
- D’autres composants adaptés aux besoins particuliers de la protéine cible
Grâce à cette modularité, il est possible d’adapter facilement la réaction CFPS à une protéine donnée afin de recréer un environnement biochimique favorable à son expression et à sa fonctionnalité.
ÉTAPE 2 – EXPRESSION DES PROTÉINES
Ce qui différencie un système cell-free d’un système cellulaire
Dans un système d’expression cellulaire classique, la protéine est produite par une cellule vivante qui doit croître, se diviser et maintenir son métabolisme. L’expression du gène s’inscrit alors dans un réseau complexe de régulations biologiques.
En système cell-free, ces contraintes disparaissent : il n’y a plus ni membrane intacte, ni viabilité cellulaire à préserver, ni sélection biologique. L’expression devient un processus biochimique direct plutôt qu’un phénomène physiologique.
Cela change la logique expérimentale.
Le gène n’est plus “exprimé par une cellule”, il est traduit dans un environnement maîtrisé. On peut intervenir immédiatement sur la réaction, modifier les conditions pendant la synthèse ou introduire des composés incompatibles avec une culture vivante.
Le système cell-free est un outil expérimental flexible particulièrement pertinent pour le criblage et la caractérisation de banque de mutants (Voir glossaire : banque de mutants) avant le passage à une échelle de production plus importante qui peut alors être réalisée en système acellulaire ou cellulaire
Avantages du cell-free par rapport aux systèmes cellulaires
Rapidité
L’un des principaux avantages du CFPS est sa rapidité de mise en œuvre. Contrairement aux systèmes cellulaires qui nécessitent des étapes de transformation ou de transfection, de sélection de clones et de culture cellulaire, la synthèse de protéines en système cell-free peut être lancée directement après l’ajout de la matrice nucléotidique dans le milieu réactionnel. Ainsi, les délais d’expression sont fortement réduits, passant de plusieurs jours, voire semaines, à seulement quelques heures.
Cette rapidité permet d’accélérer considérablement les cycles de test, d’optimisation et de criblage de constructions génétiques. Les chercheurs peuvent rapidement évaluer différentes variantes de séquences, conditions d’expression ou additifs réactionnels, ce qui facilite le prototypage rapide et la prise de décision au cours des phases de recherche et développement.
Rapidité
Les kits Syn-Xpress™
À titre d’exemple, les kits Syn-Xpress™ que nous avons développés permettent d’obtenir une expression protéique en seulement 4 heures en mode « Flash », idéale pour des tests rapides ou du criblage, ou en 16 heures en mode « HighYield » lorsque l’objectif est de maximiser la quantité de protéine produite. Cette flexibilité permet d’adapter facilement la durée de réaction aux besoins expérimentaux, tout en conservant la rapidité caractéristique des systèmes CFPS.
Contrôle expérimental permettant l’expression de protéines complexes
En expression acellulaire de protéines, la synthèse ne dépend plus d’une cellule vivante. Le milieu réactionnel est directement accessible et modulable, ce qui transforme l’expression protéique en paramètre expérimental contrôlable. Les conditions de réaction peuvent ainsi être ajustées ou enrichies en fonction des besoins spécifiques de la protéine à produire.
Il est par exemple possible d’ajouter des cofacteurs pour stabiliser certaines enzymes, des lipides ou des détergents pour favoriser la synthèse de protéines membranaires, des chaperonnes moléculaires pour faciliter le repliement de protéines complexes, ou encore des acides aminés marqués ou modifiés pour des applications analytiques ou structurales.
Ce système ouvert et hautement modulable permet une optimisation fine des conditions d’expression et offre une grande liberté expérimentale. Il ouvre ainsi la voie à des applications avancées telles que l’étude de protéines membranaires, l’ingénierie des protéines ou l’incorporation d’acides aminés non naturels.
À titre d’exemple, grâce à notre technologie propriétaire certaines protéines membranaires comme CXCR4 ou la protéine pro-apoptotique Bak, peuvent être obtenues à l’échelle du milligramme en environ une semaine (selon le niveau d’expression observé). Cela permet de vérifier rapidement une hypothèse expérimentale, d’alimenter un projet de biologie structurale ou de décider plus tôt de la poursuite d’un programme.
Certaines protéines sont difficiles, voire impossibles, à produire dans des systèmes cellulaires, notamment lorsqu’elles présentent une toxicité pour la cellule hôte. Dans ces conditions, leur expression peut perturber la croissance ou entraîner la mort des cellules, limitant fortement les rendements et compliquant l’obtention de protéines complètes et fonctionnelles.
Les systèmes cell-free permettent de contourner cette contrainte. En l’absence de cellules vivantes, la synthèse protéique se déroule sans pression de viabilité cellulaire, ce qui autorise l’expression de protéines toxiques ou instables dans un environnement contrôlé.
Le CFPS constitue ainsi une solution particulièrement adaptée pour produire des protéines difficiles, permettant d’obtenir rapidement des protéines difficiles, telles que certaines toxines, enzymes très actives ou protéines perturbant fortement le métabolisme cellulaire, qui seraient autrement très complexes à produire dans des systèmes d’expression classiques
Depuis plus de 15 ans, notre équipe R&D optimise notre technologie CF. Cette maîtrise se traduit aussi par des résultats reproductibles : 80 à 90 % des protéines ont pu être exprimées avec succès, et parmi elles environ 80 % conservent une activité fonctionnelle. (lien vers catalogue de protéines) Cela permet ainsi d’obtenir plus rapidement une information exploitable, production effective, solubilité ou activité, sans passer par de longues phases d’optimisation biologique.
Linear scale-up
Enfin, les systèmes CFPS présentent l’avantage d’un scale-up linéaire et prévisible. Le passage d’un petit volume de réaction à un volume plus important ne nécessite pas d’optimisation complexe liée à la croissance cellulaire ou au métabolisme. Il suffit généralement d’augmenter proportionnellement les volumes des différents composants de la réaction, ce qui facilite la transition entre des phases de prototypage à petite échelle et des productions à plus grande échelle.
Nos designers de protéines sont actuellement capables de produire des quantités qui couvrent un large spectre, typiquement de 10 µg à 100 mg, depuis l’analyse biochimique jusqu’aux études structurales ou fonctionnelles. Il est toutefois possible d’augmenter les volumes de production afin d’atteindre des grammes de protéines. Notre programme « Cell-free ‘Up » a cet objectif.
Applications du cell-free
R&D : Explorer et caractériser rapidement une cible
- Production rapide d’une protéine d’intérêt
- Étude de protéines membranaires ou difficiles à exprimer
- Analyse d’interactions protéine-protéine
- Etudes fonctionnelles
- Validation de constructions génétiques
- Préparation d’échantillons pour la biologie structurale
Disposez rapidement d’un échantillon caractérisable pour valider une hypothèse expérimentale et sécuriser l’interprétation des résultats.
Diagnostic : Développer et valider des tests biologiques
- Production d’antigènes recombinants
- Enzymes rapporteurs pour tests analytiques
- Composants de biocapteurs
- Intégration facilitée dans des tests rapides ou miniaturisés
Obtenez des biomolécules fonctionnelles dans des conditions contrôlées, facilitant l’évaluation analytique (sensibilité, spécificité, reproductibilité) d’un test.
Screening : Tester rapidement de nombreux candidats
- Criblage de variants protéiques
- Évaluation de bibliothèques de mutants
- Optimisation de conditions biochimiques
- Expression directe à partir d’ADN linéaire
Comparez des variants dans un cadre expérimental homogène et générer des données comparables pour la sélection rationnelle des candidats.
Pourquoi choisir Synthelis ?
Depuis 2011, Synthelis Biotech s’impose comme un partenaire stratégique pour l’accélération des projets en biologie, de l’expression de protéines au développement d’outils pour les sciences de la vie. Notre approche repose sur la transformation de défis biologiques complexes en solutions industrielles validées.
La technologie Cell-Free : Rapidité et Flexibilité
Notre plateforme technologique redéfinit les standards de vitesse et de personnalisation de la production biologique:
• Cycles de production courts : Nous produisons et purifions votre protéine d’intérêt, après d’éventuelles optimisations, en 24 à 48h.
• Haut débit et Screening : Nous sommes capables d’exprimer des milliers de mutants et d’identifier des “hits” potentiels en 7 jours via notre plateforme dédiée.
• Facilité d’utilisation : Nous proposons des kits Syn-Xpress™ (E. coli-based) prêts à l’emploi ne nécessitant que l’ajout d’ADN et permettant aux laboratoires de produire leurs propres protéines en 4h (Flash Mode) ou 16h (HighYield Mode).
• Preuves de performance : Pour certaines classes de protéines comme les récepteurs GPCR, notre technologie permet d’atteindre des rendements jusqu’à 20 fois supérieurs aux systèmes cellulaires.
Expertise en production de protéines “difficiles à exprimer
La valeur ajoutée de Synthelis Biotech (lien vers présentation entreprise) réside dans sa maîtrise de l’expression protéique là où les systèmes cellulaires traditionnels atteignent leurs limites :
• Succès d’expression : Avec plus de 400 protéines complexes produites avec succès, nous affichons un taux de réussite d’expression supérieur à 90%.
• Activité biologique : Près de 80% des protéines livrées font l’objet d’une démonstration d’activité fonctionnelle.
• Levée des verrous d’expression in cellulo : Notre système acellulaire permet de contourner les problèmes majeurs, tels que la formation de corps d’inclusion (insolubilité) ou la cytotoxicité, rencontrés en systèmes E. coli classiques.
• Cibles complexes : Notre solide expérience nous permet de maitriser l’expression de protéines membranaires (GPCRs, canaux ioniques, transporteurs…) selon notre approche brevetée, de protéines solubles ou nécessitant des modifications post-traductionnelles.
Une offre globale et complémentaire
Bien que l’expression acellulaire soit notre cœur de métier, nous offrons un écosystème complet pour soutenir vos recherches :
• Une offre pour chacun : de nos services à nos kits, nous avons à cœur de rendre accessible notre système cell-free. Nous proposons des services allant du criblage de mutants, d’études de faisabilité pour identifier la condition d’expression optimale adaptée à votre protéine, jusqu’à la production à plus grande échelle, ainsi qu’une gamme de kits Syn-Xpress™ prêts à l’emploi, ne nécessitant que l’ajout d’ADN.
• Bioluminescence de nouvelle génération : Nous développons les pro-substrats Hikarazine™ (3 à 15 fois plus brillants que la luciférine standard) et la technologie LuliFLASH™ pour des immuno-essais ultrasensibles.
• Services transverses : Notre savoir-faire inclut l’expression classique en E. coli, l’ingénierie de protéines et la distribution officielle des instruments de bio-analyse Berthold en France.
• Accompagnement sur mesure : Du design de la protéine à la validation fonctionnelle, nous intervenons sur l’ensemble de la chaîne de valeur pour raccourcir les délais de mise sur le marché.
Cell-free vs expression cellulaire : comparatif
Vous souhaitez maitriser la technologie CFPS ?
FAQ – Expression de protéines cell-free
Qu’est-ce que l’expression cell-free de protéines (CFPS) ?
La synthèse cell-free de protéines (CFPS), ou expression de protéines en système acellulaire, est une méthode de synthèse protéique réalisée en dehors d’une cellule vivante. Elle utilise des extraits cellulaires contenant la machinerie naturelle de transcription et traduction (enzymes, ARNt, ribosomes…) complémentés avec une source d’énergie, des nucléotides tri-phosphates (NTP),des acides aminés et autres additifs. À partir d’un ADN ou d’un ARN, la protéine d’intérêt est produite directement in vitro. L’approche reproduit l’expression génique mais sans unité cellulaire vivante.
Comment fonctionne un système d’expression acellulaire de protéines ?
On ajoute une matrice génétique (ADN ou ARN) dans un lysat cellulaire actif contenant les éléments nécessaires à la transcription et à la traduction. Si l’on part d’ADN (plasmidique ou linéaire) l’ARN messager est d’abord synthétisé, puis les ribosomes assemblent la chaîne polypeptidique. La réaction se déroule dans un milieu ouvert et contrôlé. Les conditions biochimiques peuvent être ajustées pendant la synthèse.
Quels sont les avantages du cell-free par rapport aux systèmes cellulaires ?
Le cell-free fournit des résultats rapidement sans construction de lignée ni culture prolongée. Le système ouvert permet d’ajuster directement l’environnement de synthèse et de repliement, et d’ajouter des cofacteurs, des ligands ou d’autres additifs. Il réduit aussi les échecs d’expression liés à la cytotoxicité, à l’instabilité ou à l’agrégation. Il est particulièrement adapté à la caractérisation et à la validation expérimentale précoce.
Quels types de protéines recombinantes peut-on exprimer en cell-free ?
Tout type de protéines peut être exprimé en cell-free, que ce soit des protéines membranaires grâce à l’ajout de stabilisateurs (lipides ou détergents), des complexes protéiques composés de plusieurs polypeptides qui seront co-traduits ainsi que des protéines toxiques.e.
Dans quels cas choisir le cell-free protein synthesis (CFPS) ?
Le CFPS est pertinent lorsqu’une protéine est difficile à exprimer ou lorsqu’un résultat rapide est nécessaire. Il est utilisé pour la validation de cibles, les études d’interaction, le marquage, le prototypage ou le screening de variants. Il permet d’obtenir rapidement une protéine testable avant d’envisager une production à plus grande échelle en cell-free ou en système cellulaire.
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