Ingénierie et tests de protéines condensés en une seule journée

Ingénierie et tests de protéines condensés en une seule journée

Université de Stanford*

Un technicien de laboratoire manipule une plaque multipuits remplie de liquides colorés. (Getty Images)

Des bio-ingénieurs ont mis au point une nouvelle méthode permettant de contourner le clonage génétique microbien traditionnel, ce qui permet de concevoir, de construire et de tester des variants de bioprotéines de manière économique et en seulement 24 heures.

En bref

• L'ingénierie des protéines est un processus important mais exigeant en main-d'œuvre qui peut prendre plusieurs jours – voire plus si la protéine doit être testée dans des cellules de mammifères.

• Des bio-ingénieurs de Stanford ont mis au point une méthode qui permet de réaliser la construction et le test de protéines en 24 heures. Ils ont baptisé leur approche MIDAS, pour « Microbe-Independent Deep Assembly and Screening » (assemblage et criblage en profondeur indépendants des micro-organismes).

• Les chercheurs estiment que MIDAS est près de 50 fois plus rapide et coûte dix fois moins cher que les approches basées sur le clonage. Ils pensent que leurs travaux pourraient accélérer la recherche biologique, notamment en contribuant à produire des ensembles de données plus solides pour la biologie moléculaire inspirée de l'IA.

Les protéines sont essentielles à la vie – et à l’industrie. Il existe d’innombrables protéines qui pourraient être modifiées pour traiter, voire guérir, des maladies graves et des dysfonctionnements cellulaires. Les applications industrielles sont tout aussi prometteuses, les protéines étant de plus en plus utilisées comme enzymes dans la fabrication alimentaire et dans les détergents grand public.

Si l'IA peut aider à suggérer des améliorations, chaque nouvelle protéine doit néanmoins être créée dans le monde réel et testée pour vérifier ses performances. Il s'agit d'un processus exigeant en main-d'œuvre qui implique la construction des instructions ADN pour chaque protéine dans de la levure ou des bactéries, ainsi que la culture de clones individuels pour la production et les tests de protéines. Cela peut prendre plusieurs jours pour une seule protéine d'intérêt, et encore plus longtemps si la protéine doit être testée dans des cellules de mammifères, un processus qui nécessite d'extraire l'ADN des microbes pour le transférer dans les cellules de mammifères.

Dans un nouvel article, Michael Z. Lin, professeur de neurobiologie et de bio-ingénierie aux facultés d’ingénierie et de médecine, ainsi que les étudiants de troisième cycle Yan Wu en bio-ingénierie et Pengli Wang* en génie chimique, affirment avoir réduit le processus chronophage de construction et de test des protéines à seulement 24 heures. Ils ont baptisé leur approche MIDAS, pour « Microbe-Independent Deep Assembly and Screening » (assemblage et criblage en profondeur indépendants des microbes). MIDAS pourrait accélérer considérablement la recherche biologique dans des domaines allant de l’oncologie aux sciences de l’environnement. L’étude présentant MIDAS est publiée dans la revue Molecular Systems Biology.

« Les questions fondamentales de la biologie moléculaire demeurent : comment fabriquer de meilleures protéines et comment comprendre ce qui fait qu’une protéine fonctionne ? », explique M. Lin. « Ce travail nécessite un temps et des ressources précieux, mais nous avons trouvé un moyen de réduire considérablement ces besoins. »

Tourner en rond

M. Lin et ses collègues ont contourné le processus traditionnel d’assemblage microbien en utilisant une technique de réplication génétique connue sous le nom de réaction en chaîne par polymérase (PCR). La PCR permet d’amplifier très rapidement des segments linéaires d’ADN en des millions ou des milliards de copies. En utilisant la PCR pour construire des gènes entiers utilisés par les cellules de mammifères pour exprimer une protéine donnée, ils ont contourné la nécessité du clonage microbien et du transfert d’ADN. Les variations génétiques produites par la PCR peuvent être directement transférées dans des cellules de mammifères pour une analyse fonctionnelle. La seule condition requise pour la procédure PCR est de disposer de courtes séquences d’ADN appelées « amorces », qui peuvent être commandées pour une livraison le lendemain.

« Avec MIDAS, nous pouvons recevoir les amorces PCR le matin, assembler les gènes nécessaires en milieu de journée, et en fin d’après-midi transférer les gènes dans des cellules pour observer le fonctionnement des protéines », explique le co-auteur principal Yan Wu. « Et nous pouvons faire tout cela en parallèle pour des centaines, voire des milliers de variants protéiques à la fois. »

En génie protéique traditionnel, lorsque les chercheurs identifient un variant prometteur, ils doivent assembler et cloner le gène exprimant la protéine dans une structure génétique circulaire appelée plasmide. Ils doivent ensuite transférer les plasmides modifiés dans l’ADN de bactéries ou de levures afin de produire des quantités suffisantes de chaque plasmide unique, qui doivent ensuite être transférées dans des cellules de mammifères pour validation.

Ce processus de clonage et de transfert est laborieux, lent et coûteux, et il limite considérablement le nombre de variants pouvant être évalués de manière réaliste. MIDAS change la donne. L’idée clé de M. Lin et de son équipe a été de se passer des plasmides circulaires, qui sont incompatibles avec la PCR. Au lieu de cela, ils traitent l’ADN comme une information linéaire parfaitement adaptée à la PCR. Cela leur permet d’assembler des centaines de variants génétiques à la fois et de les transférer directement en grande quantité dans des cellules de mammifères afin d’identifier les plus performants rapidement et à moindre coût.

Avec MIDAS, nous pouvons recevoir des amorces PCR le matin, assembler les gènes nécessaires en milieu de journée et, en fin d’après-midi, transférer les gènes dans les cellules.

Yan Wu

« Nous avons décidé qu’il n’y avait rien de magique dans la structure circulaire des plasmides », explique M. Lin. « Pour la PCR, il suffit d’avoir les données génétiques. C’est là que l’inspiration nous est venue. »

Un test pratique portant sur 384 variants à l’aide de MIDAS a nécessité environ quatre heures de travail pratique en laboratoire et environ 2.000 dollars de réactifs. Avec les méthodes existantes, un chercheur expérimenté aurait besoin d’environ 192 heures et d’environ 20.000 dollars de réactifs pour évaluer seulement 24 variants. Les chercheurs estiment que MIDAS est près de 50 fois plus rapide et coûte dix fois moins cher que les approches basées sur le clonage.

Impact immédiat

MIDAS pourrait avoir des implications concrètes immédiates pour la recherche biologique. Premièrement, cela devrait accélérer d’importantes études sur les enzymes et les biocapteurs, affirment les chercheurs. Deuxièmement, cela pourrait améliorer la production automatique d’amorces PCR parfaitement adaptées aux robots modernes de manipulation de liquides, capables d’évaluer des centaines de nouvelles protéines à la fois. Enfin, et c'est peut-être le plus important, ils estiment que MIDAS pourrait générer des ensembles de données de séquences plus performants et plus volumineux, susceptibles d'améliorer l'entraînement de l'IA à forte intensité de données, conduisant ainsi à des modèles de conception moléculaire toujours plus puissants.

« Nous avons utilisé MIDAS non seulement pour trouver la version la plus performante d'une protéine, mais aussi pour comprendre comment fonctionnent des variants étroitement apparentés, ce qui constitue une information que nous pouvons utiliser pour entraîner des modèles d'IA », explique M. Pengli Wang, co-auteur principal. « MIDAS est si simple que nous pouvons l’utiliser pour créer de grands ensembles de données très rapidement. »

M. Lin estime que, à l’avenir, MIDAS pourrait permettre des recherches combinatoires plus approfondies, une intégration plus étroite avec la robotique et la génération de cartes de séquences génétiques et d’aptitude moléculaire afin d’alimenter des modèles d’apprentissage automatique améliorés, capables de stimuler la conception computationnelle et la validation expérimentale.

« MIDAS est au moins dix fois plus rapide pour la validation en conditions réelles », affirme M. Lin. « Il réduit le cycle de conception, de construction et de test des protéines à seulement quelques jours, et nous pensons qu’il pourrait entraîner des avancées rapides en biologie moléculaire inspirée par l’IA. »

Pour plus d’informations

Parmi les auteurs contributeurs figurent Lan Xiang Liu et Daesun Song de l’Université de Stanford, ainsi que des auteurs de l’Université Fudan, à Shanghai, en Chine, et de la société Promega. M. Lin est également membre de Stanford Bio-X, de l’Institut Cardiovasculaire, de l’Institut de Recherche sur la Santé Maternelle et Infantile, de l’Institut du Cancer de Stanford et de l’Institut des Neurosciences Wu Tsai, ainsi que membre du corps enseignant de Sarafan ChEM-H.

Le financement de MIDAS a été assuré par les NIH, une subvention de démarrage du programme d’initiatives interdisciplinaires de Stanford Bio-X, une bourse de doctorat de Stanford Bio-X et une bourse d’études supérieures interdisciplinaire de l’Institut des neurosciences Wu Tsai de Stanford.

*Pengli Wang est décédé en mai 2026 après l'achèvement de cette recherche. Il était doctorant en quatrième année en génie chimique.

Contact presse :

Jill Wu, Stanford Engineering : jillwu@stanford.edu

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* Source : Protein engineering and testing condensed to one day | Stanford Report