Surmonter les défis de la synthèse de l'iro

Les scientifiques développent un protocole efficace pour la synthèse acellulaire de protéines complexes fer-soufre

Institut de technologie de Tokyo

image : Ce diagramme montre les deux étapes principales impliquées dans le protocole de synthèse proposé. L'étape 1 montre la cascade chimique utilisée pour créer un environnement sans oxygène, ainsi que le système PURE utilisé pour synthétiser les protéines « immatures » (apo). L'étape 2 montre la mise en œuvre de la machinerie SUF, qui ajoute le cluster [4Fe – 4S] aux protéines apo, produisant des protéines [4Fe – 4S] fonctionnelles et matures.Voir plus

Crédit : Reproduit de Wang et Nishikawa et al. 2023 ACS Biologie Synthétique

Les amas Fe-S, qui font partie des protéines Fe-S, se retrouvent dans toutes les formes de vie. Ils jouent un rôle important 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 car 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 de protéines Fe – S matures en dehors de la cellule s’est avérée 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 conditions strictement privées d’oxygène. Mais ce qui rend ce processus encore plus difficile est la présence de protéines contaminantes contenant du fer dans l’extrait final.

Dans une étude récente, une équipe de chercheurs, comprenant les professeurs agrégés Kosuke Fujishima et Shawn McGlynn de l'Institut des sciences de la Terre-Vie (ELSI), de l'Institut de technologie de Tokyo et le professeur adjoint Po-Hsiang Wang de l'Université centrale nationale, a développé un nouveau protocole pour produisant des protéines [4Fe-4S] matures dans lesquelles le cluster Fe – S est placé dans une structure en forme de cube. 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.

Les chercheurs ont d’abord cherché à assembler ce que l’on appelle le système de formation de soufre (SUF). Chez les bactéries, ce système multiprotéique contient toute la machinerie nécessaire pour produire des amas [4Fe-4S]. 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 ron-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'élimination 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 production 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.