Protéine

Illustration montrant un échafaudage d'ADN tenant deux protéines proches l'une de l'autre pendant la spectroscopie de force acoustique [Vladimir Kunetki]

Les liaisons temporaires protéine-protéine sont essentielles pour les processus comprenant les réactions enzymatiques, la liaison des anticorps et la réponse aux médicaments. Il est important de pouvoir caractériser avec précision ces liaisons pour tester les performances de thérapies potentielles, mais les méthodes actuellement disponibles pour ce faire ont une capacité limitée à fournir des informations au niveau de la liaison unique ou à tester un grand nombre de liaisons.

Des chercheurs du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) et leurs collègues ont maintenant présenté une méthode plus accessible pour mesurer la force et la durée des liaisons protéine-protéine sous des charges similaires à celles qu'ils subiraient à l'intérieur de notre corps. La méthode utilise des ondes sonores pour séparer les protéines liées et des laisses d'ADN pour maintenir les deux protéines proches l'une de l'autre afin qu'elles puissent se recoller après la rupture de leur connexion. Cette innovation permet aux mêmes liaisons protéiques d'être retestées jusqu'à 100 fois, fournissant des informations précieuses sur la façon dont la force des liaisons change à mesure que les molécules vieillissent. Cette capacité pourrait fournir de nouvelles informations sur la demi-vie des médicaments ou des anticorps.

Présentant leurs travaux dans Biophysical Journal ("Combiner des échafaudages d'ADN et une spectroscopie de force acoustique pour caractériser les liaisons protéiques individuelles"), l'auteur principal Laurent Limozin, PhD, un biophysicien du CNRS, et ses collègues, ont déclaré : "Cette preuve de principe est établie pour deux liaisons protéiques d'intérêt biomédical, ouvrant des perspectives prometteuses pour des études biotechnologiques et médicales."

Les propriétés de liaison des biomolécules, qui régissent les phénomènes biologiques, sont pertinentes pour évaluer les thérapeutiques, explique l'équipe, mais de nouveaux outils expérimentaux sont nécessaires pour caractériser, de manière multiplexée, la rupture des liaisons protéiques sous la force. "Alors que les mesures en vrac effectuées sur des populations de molécules restent les techniques de caractérisation standard, la spectroscopie de force à molécule unique (SMFS) sur des paires individuelles de partenaires en interaction est apparue comme une stratégie complémentaire puissante car elle donne uniquement accès à la réponse de liaison individuelle à la force."

Pour leur étude récemment publiée, Limozin et ses collègues ont combiné, pour la première fois, selon eux, des échafaudages d'ADN avec la spectroscopie de force acoustique (AFS) pour mesurer la réponse de force de complexes biomoléculaires individuels. La spectroscopie de force acoustique permet de tester simultanément de nombreuses paires moléculaires, et les échafaudages d'ADN ont permis des tests répétés des mêmes liaisons.

"Nous voulions proposer une méthode suffisamment modulaire pour s'appliquer à différents types de liaisons, qui ait un débit raisonnable et qui atteigne une précision moléculaire élevée qui n'est actuellement disponible qu'avec des techniques très raffinées, comme les pinces optiques ou magnétiques, qui sont souvent difficile à appréhender pour les non-spécialistes », a déclaré Limozin.

Au cours de la spectroscopie de force acoustique, des paires de protéines liées sont testées à l'intérieur d'une chambre remplie de liquide. Les protéines sont retenues par un échafaudage d'ADN de sorte qu'un brin d'ADN attache la première protéine au fond de la chambre, tandis qu'un autre brin attache la deuxième protéine à une petite perle de silice. Lorsque les chercheurs font exploser la chambre avec une onde sonore, la force de l'onde éloigne la bille de silicium - et la protéine à laquelle elle est attachée - du fond de la chambre. Si la force est suffisamment forte, cette action de traction rompt la liaison entre les deux protéines.

Pour la nouvelle méthode, un troisième brin d'ADN agit comme une laisse pour maintenir les protéines proches les unes des autres après la rupture de leur liaison. "... nous introduisons la combinaison d'un échafaudage d'ADN modulaire, à savoir l'ADN junctured (J-DNA), avec l'AFS, une méthode parallèle émergente qui offre potentiellement une large gamme dynamique d'application de force rapide", ont écrit les scientifiques. "Le complexe protéique sondé est attaché à la fois à la surface de la cellule d'écoulement et à une perle via des tiges d'ADN d'une paire de kilobases reliées par la laisse."

"L'originalité de notre méthode, c'est qu'en plus de ces deux brins de chaque côté, au milieu vous avez cette laisse qui relie les deux brins et maintient les protéines ensemble lors de la rupture", explique Limozin. "Sans cette laisse, le détachement serait irréversible, mais cela permet de répéter la mesure presque autant de fois que l'on veut."

Comme preuve de concept, l'équipe de recherche a utilisé la technique pour caractériser deux interactions à une seule molécule d'intérêt biomédical - la liaison entre les protéines et la rapamycine, un médicament immunosuppresseur, et la liaison entre un anticorps à domaine unique et un antigène du VIH-1. "En plus de son intérêt pour le benchmarking, la rapamycine a une pertinence biomédicale importante, étant l'un des premiers modulateurs de l'interaction protéine-protéine à avoir atteint la clinique", ont commenté les chercheurs. Les chercheurs ont observé les cycles de liaison et de rupture à l'aide d'un microscope. Ils ont également comparé leurs résultats avec ceux de techniques bien établies, telles que les pincettes magnétiques, pour s'assurer de leur exactitude.

Pouvoir tester plusieurs fois la même liaison protéine-protéine est important pour explorer la variation entre des paires moléculairement identiques. Cela permet également aux chercheurs d'examiner comment ces interactions changent à mesure que les molécules vieillissent, ce qui pourrait être important pour déterminer la demi-vie des médicaments ou des anticorps. "... la combinaison de l'AFS et de l'ADN-J a le potentiel de répondre à des questions fondamentales et d'ouvrir la voie à une caractérisation chimiomécanique systématique des interactions biomédicales pertinentes", ont-ils noté.

"Avec cet outil, nous avons un moyen d'approfondir et de vraiment sonder expérimentalement des idées sur l'hétérogénéité moléculaire et le vieillissement moléculaire", a déclaré Limozin. "Nous, et d'autres, soupçonnons que la caractérisation de ces propriétés sera très utile pour concevoir de futures thérapies qui devront fonctionner dans des situations où des forces mécaniques sont impliquées."

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