Xavier Boyer
Les protéines fer-soufre (Fe-S), essentielles à toutes les formes de vie, sont difficiles à synthétiser en raison de la machinerie moléculaire complexe impliquée et de la sensibilité des amas Fe-S à l’oxygène. Dans une nouvelle étude, une équipe de chercheurs a conçu un protocole innovant pour synthétiser des protéines Fe-S matures, en associant un système d’assimilation du soufre recombinant (SUF) et un système d’élimination de l’oxygène, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles technologies et à un meilleur compréhension de l’évolution de la vie.
Les amas Fe-S, qui font partie des protéines Fe-S, se retrouvent dans toutes les formes de vie. Ils jouent un rôle significant en tant que cofacteurs biologiques – molécules auxiliaires qui assistent ces protéines dans différentes transformations biochimiques – impliqués dans la respiration et le métabolisme. Ces clusters présentent un vif intérêt pour la recherche motor vehicle ils sont considérés comme un élément essentiel de l’évolution. Ils servent de lien entre la chimie prébiotique (processus chimiques qui existaient avant l’émergence des formes de vie) et les systèmes moléculaires et biologiques complexes que nous connaissons aujourd’hui. En termes simples, ils pourraient être l’un des catalyseurs primitifs qui ont conduit à l’émergence de la vie sur Terre. Nous espérons donc que disposer de méthodes pratiques pour synthétiser les protéines Fe-S fera progresser notre compréhension de la jeune biologie de la Terre et nous aidera à répondre à la question ultime de l’origine de la vie.
Cependant, malgré leur prévalence, la synthèse des protéines Fe-S matures en dehors de la cellule s’est révélée difficile. Ils nécessitent non seulement une machinerie cellulaire complexe pour leur synthèse, mais se dégradent également facilement au contact de l’oxygène en raison de sa réaction avec leurs amas Fe-S. Par conséquent, les scientifiques ont été contraints de suivre la voie compliquée consistant à produire et extraire d’abord une protéine incomplète (ou « apo »), suivie de sa maturation (ajout du cofacteur Fe-S) dans des disorders strictement privées d’oxygène. Mais ce qui rend ce processus encore furthermore difficile est la présence de protéines contaminantes contenant du fer dans l’extrait final.
L’équipe a conçu une voie spécialisée du système protéique d’assemblage Fe-S qui fonctionnerait dans un environnement sans oxygène en raison de la présence d’un système d’évacuation de l’oxygène pour fournir des protéines Fe-S matures.
Il a une tolérance plus élevée à l’oxygène par rapport aux autres voies ayant des fonctions similaires (telles que la fixation de l’azote et leur système de clusters on-soufre). L’équipe de recherche a créé une voie SUF recombinante composée de six sous-unités protéiques capables de fonctionner dans un environnement acellulaire.
Afin de maintenir un environnement sans oxygène dans le tube à essai, les chercheurs ont ensuite introduit une cascade de trois enzymes (un ensemble de trois réactions enzymatiques se produisant dans une séquence) qui sert de système d’évacuation de l’oxygène. Bien que ce système d’évacuation élimine l’oxygène de l’environnement, il améliore également l’efficacité du système. Il y parvient en produisant du flavine adénine dinucléotide réduit (FADH2), un porteur d’électrons nécessaire à la synthèse du cluster Fe-S par le système SUF.
Enfin, pour la synthèse de la protéine apo, l’équipe a adopté une méthode acellulaire spécialisée qui permet la output in vitro de protéines en utilisant la synthèse de protéines acellulaires reconstituées connue sous le nom de système PURE. Avec l’ajout de matériel génétique (ADN ou ARNm) et des sources d’énergie nécessaires, le système PURE agit essentiellement comme une usine de protéines artificielles.
Ainsi, les chercheurs ont combiné le système PURE, la cascade enzymatique éliminant l’O2 et les composants de la voie SUF dans un seul tube pour réaliser la synthèse acellulaire et en un seul pot de deux composés représentatifs Shota Nishikawa, doctorant et co-leading auteur, explique les processus itératifs utilisés pour assembler les pièces du puzzle : « il était difficile de se concentrer sur la stœchiométrie et la focus de substrat/cofacteur appropriées. Néanmoins, nous avons effectué des analyses approfondies. études pour caractériser le ratio approprié d’enzymes nécessaires dans le système PURE.
Qui ont constitué des hurdles majeurs dans les domaines de la biologie synthétique et de l’enzymologie anaérobie. En étendant considérablement les capacités du système PURE, la stratégie proposée par les chercheurs pourrait conduire au développement de nouvelles biotechnologies et à une meilleure compréhension des principes fondamentaux de la synthèse et de l’assemblage des protéines.
En regardant vers l’avenir, les chercheurs notent que ces travaux ouvrent plusieurs portes pour des études à venir. Être capable de mettre en œuvre des environnements sans oxygène in vitro pourrait aider les scientifiques à reproduire d’autres styles de voies multiprotéiques, telles que les voies de fixation de l’azote (NIF) et de cluster fer-soufre (ISC), pour synthétiser d’autres enzymes portant des cofacteurs métalliques. Ceci, à son tour, pourrait conduire au développement de nouveaux biocatalyseurs et cellules synthétiques, avec des programs potentielles dans l’assainissement de l’environnement, la creation d’énergie, la médecine et l’astrobiologie.
