Progrès dans l'ingénierie des ribosomes pour la biologie synthétique

Les bactéries sont de minuscules organismes vivants qui passent par un processus appelé traduction pour fabriquer des protéines, essentielles à leur survie. Ce processus commence quand une petite partie de la machinerie bactérienne, appelée ribosome, s'assemble autour d'un morceau de matériel génétique connu sous le nom d'ARNm. Le ribosome lit la séquence de l'ARNm et relie ensemble des unités plus petites appelées acides aminés pour former une protéine.

#Le Rôle du Ribosome

Le ribosome est constitué de deux parties principales : la petite sous-unité (30S) et la grande sous-unité (50S). Pendant l'initiation de la traduction, la petite sous-unité se lie à l'ARNm. Le ribosome cherche un signal de départ spécifique, appelé codon de départ, sur l'ARNm. Ce signal indique au ribosome où commencer à fabriquer la protéine.

Un élément crucial de ce processus est une région de l'ARNm appelée la séquence Shine-Dalgarno (SD). Cette séquence aide à positionner correctement le codon de départ dans le ribosome afin que la traduction commence sans accroc. C'est intéressant de noter que toutes les bactéries n'ont pas cette séquence, et certaines fabriquent même des ARNm qui n'ont pas de séquence SD identifiable. La présence ou l'absence de cette séquence peut influencer l'efficacité de la fabrication des protéines.

#Défis pour Comprendre la Traduction

Bien que les scientifiques aient appris beaucoup sur le fonctionnement de ce processus chez des bactéries comme E. coli, il reste encore de nombreuses questions. Il est devenu clair que d'autres facteurs au-delà de la seule séquence SD peuvent aussi influencer la traduction. Par exemple, la distance entre le codon de départ et la séquence SD ou les lettres spécifiques qui composent la séquence SD peuvent impacter la façon dont la protéine est produite.

Dans certains cas, la séquence SD peut être absente, et E. coli peut quand même produire des protéines. Des études montrent que jusqu'à 70 % des ARNm chez certaines bactéries et archées pourraient manquer de la séquence SD. Cette variabilité complique la création de règles qui s'appliquent à toutes les bactéries.

#Innovation en Biologie Synthétique

Avec cette compréhension, les scientifiques travaillent sur des moyens passionnants d'utiliser les bactéries en biologie synthétique. Ils visent à modifier le code génétique des bactéries pour produire des acides aminés non standards, qui peuvent être utilisés pour créer des protéines et des matériaux uniques. Pour cela, les chercheurs ont créé des Ribosomes modifiés capables de lire ces ARNm altérés et de produire des protéines en fonction d'eux.

Ces ribosomes modifiés sont conçus pour fonctionner séparément des ribosomes habituels dans la cellule. Cette séparation empêche les problèmes qui pourraient survenir si les deux types de ribosomes essayaient de traduire le même ARNm en même temps. En modifiant à la fois le ribosome et l'ARNm, il devient possible de contrôler quelles protéines sont produites et quand.

#Le Rôle de la Protéine Ribosomique bS1

Une des protéines qui aide le ribosome s'appelle bS1. Cette protéine est importante pour le processus de traduction et aide le ribosome à se lier à l'ARNm. Cependant, bS1 peut interagir à la fois avec les ribosomes normaux et les ribosomes modifiés. Ce chevauchement pourrait empêcher les ribosomes modifiés de fonctionner aussi efficacement que prévu.

Dans ce contexte, les scientifiques se sont demandé s'ils pouvaient créer des ribosomes modifiés qui n'interagiraient pas avec bS1, les rendant plus dépendants de la séquence SD pour la traduction. Pour ce faire, ils ont tenté de bloquer la zone où bS1 se lie au ribosome.

#Le Processus d'Ingénierie

Pour bloquer bS1, les chercheurs ont introduit des changements dans l'ARN ribosomique, qui est le matériel génétique qui compose une partie du ribosome. Ils ont créé différentes versions en ajoutant de petites modifications à des régions spécifiques de l'ARN ribosomique et ont testé l'efficacité de ces changements. Certaines des modifications ont réussi à empêcher bS1 de se lier, tandis que d'autres ont moins bien fonctionné.

L'équipe de recherche a utilisé des techniques avancées comme la cryo-microscopie électronique (cryo-EM) pour visualiser les ribosomes et vérifier si les changements souhaités avaient été réalisés. Ils ont constaté qu'une des versions modifiées, appelée S1V4, bloquait avec succès la liaison de bS1 tout en permettant au ribosome de fonctionner.

#Tester les Ribosomes Modifiés

Après avoir créé les ribosomes S1V4, les chercheurs avaient besoin de tester leur efficacité en pratique. Ils ont réalisé des expériences à la fois en laboratoire et dans des cellules vivantes pour voir si les ribosomes modifiés pouvaient traduire efficacement les ARNm ingénierés sans l'interférence de bS1.

Dans les tests en laboratoire, des ribosomes contenant la modification S1V4 ont été placés dans des réactions avec des ARNm spécifiques. Ils ont mesuré combien de protéines étaient produites. Les résultats ont montré qu'il y avait une certaine capacité des ribosomes modifiés à traduire, mais ils faisaient face à des défis dus à la présence d'autres facteurs.

Lorsque les chercheurs ont passé aux expériences sur cellules vivantes, ils ont développé un système pour suivre l'efficacité de travail des ribosomes avec différents types d'ARNm. Ils ont testé une variété de combinaisons de ribosomes et d'ARNm pour voir comment les changements qu'ils avaient apportés affectaient la production de protéines.

#Résultats sur la Fonctionnalité des Ribosomes

Les tests en laboratoire et sur cellules vivantes ont révélé des résultats intéressants. Bien que prévenir la liaison de bS1 au ribosome ait changé son fonctionnement, cela n'a pas réellement amélioré la capacité des ribosomes modifiés à produire des protéines comme prévu.

Certains des résultats ont été surprenants. Par exemple, même si le design visait à créer un processus de traduction plus efficace basé sur les séquences SD, il y avait encore un certain chevauchement avec les fonctions des ribosomes normaux. Ce chevauchement indiquait que d'autres caractéristiques de l'ARNm, comme sa structure et des séquences nucléotidiques spécifiques, jouaient également des rôles cruciaux dans la traduction qui allaient au-delà de la seule séquence SD.

#À Venir

Le travail sur les ribosomes modifiés représente un pas en avant significatif en biologie synthétique. Bien que l'objectif d'obtenir un comportement de ribosome hautement spécifique n'ait pas été pleinement réalisé, la recherche a ouvert de nouvelles voies pour explorer comment fonctionne la traduction. Comprendre l'interaction entre divers facteurs influençant la traduction - comme la présence de bS1 et les caractéristiques de l'ARNm - sera essentiel pour progresser dans ce domaine.

Les futurs efforts se concentreront sur la recherche de meilleures façons de créer des ribosomes orthogonaux qui n'interagissent pas avec les ARNm endogènes, assurant ainsi que les systèmes génétiques nouvellement introduits puissent fonctionner sans interférence. En approfondissant les mécanismes de l'initiation de la traduction chez différentes bactéries, les scientifiques espèrent améliorer l'efficacité et la précision de la production de protéines dans les applications de biologie synthétique.

En résumé, même si des progrès ont été réalisés dans la création de ribosomes modifiés pour de nouvelles applications en biologie synthétique, il reste encore beaucoup de questions à répondre. La recherche continue sur le processus de traduction aidera les scientifiques à affiner leurs approches et à débloquer de nouvelles possibilités dans le domaine.