Protéine

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

Les liaisons protéine-protéine temporaires sont essentielles pour les processus tels que les réactions enzymatiques, la liaison aux anticorps et la réponse aux médicaments. Être capable de caractériser avec précision ces liaisons est important pour tester la performance des thérapies potentielles, mais les méthodes actuellement disponibles pour le 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 présenté une méthode plus accessible pour mesurer la force et la durée des liaisons protéine-protéine sous des charges similaires à celles qu’elles connaîtraient 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 relier après la rupture de leur connexion. Cette innovation permet de tester à nouveau les mêmes liaisons protéiques jusqu’à 100 fois, fournissant des informations précieuses sur la façon dont la force de liaison change à mesure que les molécules vieillissent. Cette capacité pourrait fournir de nouvelles informations sur la demi-vie des médicaments ou des anticorps.

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

Les propriétés de liaison des biomolécules, qui régissent les phénomènes biologiques, sont pertinentes pour évaluer les thérapies, a expliqué l’équipe, mais de nouveaux outils expérimentaux sont nécessaires pour caractériser, de manière multiplexée, la rupture de liaison protéique sous 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 accès de manière unique à une réponse de liaison individuelle à la force. »

Pour leur étude nouvellement rapportée, Limozin et ses collègues ont combiné, pour la première fois, ont-ils affirmé, 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 être appliquée 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 difficiles à saisir 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 bille de silice. Lorsque les chercheurs font exploser la chambre avec une onde sonore, la force de l’onde tire la perle de silicium – et la protéine à laquelle elle est attachée – loin 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 jonctif (ADN-J), avec 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 jarrets d’ADN à paires kilobases reliées par la laisse. »

« L’originalité de notre méthode 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 vous permet de répéter la mesure presque autant de fois que vous le souhaitez. »

Comme preuve de concept, l’équipe de recherche a utilisé la technique pour caractériser deux interactions monomoléculaires 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 l’analyse comparative, 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 pinces magnétiques, pour assurer leur précision.

Être capable de tester la même liaison protéine-protéine plusieurs fois est important pour explorer la variation entre des paires moléculairement identiques. Il 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 biomédicalement pertinentes », ont-ils noté.

« Avec cet outil, nous avons un moyen d’aller plus loin et de vraiment sonder expérimentalement les 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 futurs traitements qui devront fonctionner dans des situations où des forces mécaniques sont impliquées. »

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