En imaginant un approvisionnement en médicaments sans animaux, les scientifiques ont – pour la première fois – reprogrammé une bactérie commune pour en faire une molécule de polysaccharide de conception utilisée dans les produits pharmaceutiques et nutraceutiques. Publié aujourd’hui dans Mother nature Communications, les chercheurs ont modifié E. coli pour produire du sulfate de chondroïtine, un médicament mieux connu comme complément alimentaire pour traiter l’arthrite qui provient actuellement de la trachée de vache.



E. coli génétiquement modifié est utilisé pour faire une longue liste de protéines médicinales, mais il a fallu des années pour persuader les bactéries de produire même la furthermore uncomplicated de cette classe de molécules de sucre liées – appelées glycosaminoglycanes sulfatés – qui sont souvent utilisées comme médicaments et nutraceutiques.

« C’est un défi d’ingénieur E. coli pour produire ces molécules, et nous avons dû faire de nombreux changements et équilibrer ces changements pour que les bactéries se développent bien », a déclaré Mattheos Koffas, chercheur principal et professeur de génie chimique et biologique à Rensselaer Institut polytechnique. « Mais ce travail montre qu’il est feasible de produire ces polysaccharides en utilisant E. coli sans animaux, et la procédure peut être étendue pour produire d’autres glycosaminoglycanes sulfatés. »



À Rensselaer, Koffas a travaillé avec Jonathan Dordick, professeur associé de génie chimique et biologique, et Robert Linhardt, professeur de chimie et de biologie chimique. Tous trois sont membres du Centre pour la biotechnologie et les études interdisciplinaires. Dordick est un pionnier dans l’utilisation d’enzymes pour la synthèse de matériaux et dans la conception d’outils biomoléculaires pour le développement de meilleurs médicaments. Linhardt est un pro des glycanes et l’une des in addition grandes autorités mondiales sur l’héparine anticoagulante, un glycosaminoglycane sulfaté actuellement dérivé de l’intestin de porc.

Linhardt, qui a développé la première variation synthétique de l’héparine, a déclaré que l’ingénierie d’E. Coli pour produire le médicament présente de nombreux avantages par rapport au processus d’extraction actuel ou même à un processus chimioenzymatique.

« Si nous préparons le sulfate de chondroïtine par chimioenzymatisme, et que nous en fabriquons un gramme, et que cela prend un mois, et que quelqu’un nous appelle et dit: ‘Eh bien, maintenant, j’ai besoin de 10 grammes’, nous allons devoir passer un mois de moreover pour faire 10 grammes « , a déclaré Linhardt. « Alors qu’avec la fermentation, vous jetez l’organisme fabriqué dans un flacon, et vous avez le matériel, que ce soit un gramme, ou 10 grammes, ou un kilogramme. C’est l’avenir. »

« La capacité de doter une bactérie straightforward d’une voie de biosynthèse trouvée uniquement chez les animaux est essentielle pour la synthèse à des échelles commercialement pertinentes. Tout aussi crucial est que le médicament complexe que nous avons produit dans E. coli est structurellement le même que celui utilisé comme complément alimentaire. » dit Dordick.

Koffas a décrit trois étapes majeures que l’équipe devait intégrer dans la bactérie afin qu’elle produise du sulfate de chondroïtine: l’introduction d’un groupe de gènes pour produire une molécule précurseur de polysaccharide non sulfatée, l’ingénierie des bactéries pour fournir une quantité suffisante d’une molécule donneuse de soufre énergétiquement coûteuse, et l’introduction d’une enzyme de transfert de soufre pour mettre la molécule donneuse de soufre sur la molécule précurseur de polysaccharide non sulfaté.

L’introduction d’une enzyme sulfotransférase fonctionnelle a posé un défi particulièrement difficile.

« Les sulfotransférases sont fabriquées par des cellules beaucoup furthermore complexes », a déclaré Koffas. « Lorsque vous les sortez d’une cellule eucaryote complexe et que vous les mettez dans E. coli, ils ne sont pas du tout fonctionnels. En gros, vous n’obtenez rien. Nous avons donc dû faire un peu d’ingénierie des protéines pour que cela fonctionne. »

L’équipe a d’abord produit une structure de l’enzyme, puis a utilisé un algorithme pour aider à identifier les mutations qu’elles pourraient apporter à l’enzyme afin de produire une model stable qui fonctionnerait dans E. coli.

Bien que les E. coli modifiés produisent un rendement relativement faible – de l’ordre du microgramme par litre – ils se développent dans des situations de laboratoire ordinaires, offrant une preuve de notion robuste.

« Ce travail est une étape importante dans l’ingénierie et la fabrication de produits biologiques et ouvre de nouvelles voies dans plusieurs domaines tels que la thérapeutique et la médecine régénérative qui nécessitent un approvisionnement substantiel de molécules spécifiques dont la manufacturing est perdue avec le vieillissement et les maladies », a déclaré Deepak Vashishth, directeur le CBIS. « De telles avancées prennent naissance et prospèrent dans des environnements interdisciplinaires rendus possibles grâce à l’intégration distinctive des connaissances et des ressources disponibles au Rensselaer CBIS. »