Les scientifiques simplifient et accélèrent la méthode de bio-ingénierie à évolution dirigée

Dans une étude publiée aujourd'hui dans la revue CelluleDes chercheurs de l’Université de Californie à Irvine ont indiqué qu’ils avaient accéléré et simplifié l’évolution dirigée en faisant en sorte que les cellules vivantes fassent la majeure partie des tâches lourdes. En insérant un système de réplication de l'ADN spécialement conçu dans la levure, les scientifiques ont été en mesure de convaincre les gènes sélectionnés de muter et d'évoluer rapidement et de manière stable à mesure de la reproduction des cellules de levure hôtes.

"En introduisant de manière ciblée des taux élevés de diversification dans les cellules, nous pouvons faire croître et faire pression sur ces cellules pour qu'elles évoluent en quelque chose de nouveau à partir de tous les gènes de notre choix", a déclaré le premier auteur Arjun Ravikumar, qui a obtenu son doctorat. en génie biomédical à l’UCI plus tôt ce mois-ci. "Notre travail a réduit l'évolution à un processus extrêmement rapide, simple et évolutif."

Auparavant, pour permettre aux scientifiques de sélectionner des biomolécules afin de déterminer si la fonction recherchée avait été remplie, ils devaient créer une banque d’ADN dans un tube à essai et insérer cet ADN dans les cellules, un processus laborieux et difficile. L’équipe de l’UCI a entièrement éliminé cette étape dans sa nouvelle approche, laissant tout le travail à la machinerie interne de la cellule.

Selon l’auteur principal Chang Liu, professeur adjoint d’ingénierie biomédicale à l’UCI, lorsqu’on utilise l’évolution dirigée pour créer une enzyme ou une protéine meilleure (l’œuvre qui a remporté le prix Nobel de chimie cette année), le nombre de cycles évolutifs devient très important, car chacun peut être considéré comme un pas en avant vers une fonction nouvelle ou améliorée. "Mais si chaque cycle nécessite un traitement répété en biologie moléculaire de l'ADN sur éprouvette, vous ne pouvez raisonnablement effectuer que quelques itérations", a-t-il déclaré.

"Au contraire, l'évolution naturelle suit des cycles en continu, essentiellement en cultivant les cellules dans le temps dans un environnement qui les pousse à développer de nouvelles fonctions; le problème d'un point de vue de l'ingénierie biomoléculaire est que le processus est très lent", a ajouté Liu. "Nous avons mis au point une architecture génétique qui permet à l'évolution biomoléculaire d'être très rapide."

En plus d'accélérer et de simplifier l'évolution dirigée, M. Liu a déclaré que cette nouvelle technique pouvait permettre aux scientifiques d'effectuer d'autres types d'expériences qu'ils avaient eu du mal à faire par le passé. Par exemple, dans leur étude, les chercheurs de l’UCI ont décrit la façon dont ils avaient développé une enzyme au cours de 90 expériences répétées afin de déterminer toutes les façons dont elle pouvait s’adapter à une condition donnée – dans ce cas, comment une cible du paludisme pouvait développer une résistance à un médicament donné. .

"Il existe de nombreuses façons de résoudre un problème évolutif particulier tel que la résistance aux médicaments. Par conséquent, la capacité de mener des expériences d'évolution à l'échelle que nous avons nous permet de saisir et de comprendre davantage ces possibilités, nous donnant ainsi un aperçu thérapeutique pertinent de la manière dont la résistance se développe, "Dit Liu.

Les travaux futurs viseront à faire en sorte que la nouvelle plate-forme développe en permanence des anticorps anti-maladies et des enzymes utiles pour la synthèse de médicaments, a-t-il ajouté.

"Au lieu de devoir injecter un antigène à un animal afin d'isoler un anticorps, imaginez simplement le mettre dans une culture de cellules de levure et de le faire apparaître comme anticorps spécifique", a-t-il déclaré. "Cela pourrait révolutionner la façon dont ces médicaments et d'autres médicaments à base de protéines sont découverts et développés."

Frances Arnold – Professeur de génie chimique, de bio-ingénierie et de biochimie à l'Institut de technologie de Californie de Linus Pauling, lauréate du prix Nobel de chimie 2018 pour ses contributions novatrices dans le domaine – a déclaré: "L'évolution dirigée est un moyen puissant de créer de nouvelles protéines Les techniques développées par le professeur Liu et le Dr Ravikumar stimuleront de nouvelles applications et de nouvelles pistes d’investigation qui continueront d’accroître notre capacité à composer un nouvel ADN. "

Explorer plus loin:
Comment les chimistes lauréats du prix Nobel ont utilisé et dirigé l'évolution

Plus d'information:
Arjun Ravikumar et al. Évolution continue et évolutive des gènes à des taux de mutation supérieurs aux seuils d’erreur génomique, Cellule (2018). DOI: 10.1016 / j.cell.2018.10.021