Avancées dans les systèmes de production de protéines sans cellules

Les systèmes sans cellules sont des setups qui permettent aux scientifiques de créer des protéines sans utiliser de cellules vivantes. Ces systèmes sont pratiques pour plein de raisons, notamment leur flexibilité et la possibilité de contrôler l'environnement dans lequel les protéines sont fabriquées. Il y a deux types principaux : les systèmes basés sur lysat, qui utilisent des matériaux cellulaires extraits, et les systèmes totalement recombinants comme PURE.

#Défis des systèmes sans cellules actuels

Bien que les systèmes sans cellules offrent des avantages, ils ont aussi quelques inconvénients par rapport à l'utilisation de cellules entières pour la Production de protéines. Un gros souci, c'est qu'ils ne se régénèrent pas tout seuls, ce qui veut dire qu'ils ne fonctionnent que pendant un temps limité avant d'arrêter de produire des protéines. Ça conduit à une quantité totale de protéines plus faible. Du coup, les chercheurs cherchent des moyens de prolonger le temps de production de ces systèmes pour améliorer le rendement global.

En gros, il y a deux manières principales d'augmenter le rendement des protéines dans ces systèmes. La première, c'est de modifier le mélange des ingrédients utilisés dans le système. La seconde, c'est d'apporter des composants supplémentaires pour faire durer la réaction, comme des sources d'énergie et des petites briques nécessaires à la création de protéines.

#Différences entre les systèmes lysat et PURE

Les systèmes lysat ont tendance à produire plus de protéines que les systèmes PURE. Cependant, comme le lysat s'appuie sur des matériaux pris dans des cellules, il peut être incohérent entre les lots, ce qui cause des variations dans les résultats. En revanche, les systèmes PURE sont fabriqués à partir de composants créés séparément, ce qui les rend plus fiables pour diverses utilisations, notamment en biologie synthétique et en thérapies médicales.

Le meilleur rendement de protéines obtenu dans des systèmes sans cellules jusqu'à maintenant est de 8 mg/mL en utilisant une forme spéciale de lysat contenue dans de petites structures scellées appelées liposomes. Cette méthode a non seulement amélioré la quantité de protéines produites, mais a aussi permis à la production de continuer pendant 20 heures. Le meilleur rendement d'un système PURE, cependant, a été rapporté il y a dix ans à 3.8 mg/mL, en utilisant une méthode impliquant une Dialyse, qui est une façon de séparer des molécules plus petites des plus grandes.

D'autres méthodes pour prolonger la production de protéines impliquent de piéger ou enfermer les protéines dans des matériaux spéciaux. Certaines expériences ont montré qu'il est possible de produire des protéines pendant jusqu'à 16 jours en utilisant des systèmes PURE et même plus longtemps pour les systèmes lysat. Cependant, ces méthodes peuvent être complexes et demandent beaucoup de travail, ce qui conduit souvent à des rendements plus faibles.

#Un nouveau système de dialyse simple

Les chercheurs ont maintenant développé un système de dialyse simple conçu pour produire des protéines en petites quantités (100 µL). Ce setup peut être créé avec des pièces facilement disponibles et fonctionne avec du matériel de laboratoire standard. Les principaux avantages de ce nouveau système incluent un accès facile aux zones de réaction pendant le processus, ce qui permet d'ajouter des Nutriments facilement et de suivre en temps réel ce qui se passe avec des lecteurs de plaques fluorescentes classiques.

Lors de tests, ce nouveau système de dialyse a permis à la production de protéines de continuer pendant quatre jours, et avec des ajouts réguliers de nutriments, cela a été prolongé jusqu'à 12.5 jours, avec un rendement de 1.15 mg/mL de protéines. Ce résultat marque la plus longue durée de production pour un système PURE sans utiliser de méthodes d'encapsulation.

#Fonctionnement du système de dialyse

Le nouveau système utilise une plaque à 24 puits comme base. Chaque puits a une chambre de dialyse qui comprend un compartiment d'alimentation et une chambre de réaction. Les cups de dialyse choisis pour ces chambres ont un filtre spécial qui permet aux molécules plus petites de passer, empêchant les grosses protéines de s'échapper. En découpant soigneusement ces cups et en les plaçant dans la plaque, les chercheurs ont pu mettre en place 24 réactions en même temps.

Quand il était temps de surveiller et de maintenir le système, les chercheurs pouvaient facilement rafraîchir la solution d'alimentation en enlevant le scellé sur la plaque et en remplaçant l'ancienne solution par une nouvelle. Ce design maintient l'environnement de production de protéines stable tout en permettant des ajustements.

#Test du nouveau système

Lors de tests comparant la production de protéines dans les systèmes lysat et PURE utilisant le nouveau setup de dialyse, il a été constaté que la production de protéines du lysat s'arrête après moins d'un jour, tandis que le PURE pouvait continuer pendant environ quatre jours. Le rendement total des protéines était plus élevé pour le PURE, qui a produit environ 25,300 unités de fluorescence relative (RFU) contre 19,200 RFU pour le lysat.

Pour voir si des remplacements réguliers de nutriments pouvaient booster la production de protéines, les chercheurs ont ajouté des solutions d'alimentation fraîches tous les trois à quatre jours. Cette approche a permis à la production de protéines PURE de continuer pendant 12.5 jours, prolongeant significativement le temps de production active. En revanche, les réactions de lysat n'ont pas beaucoup bénéficié de ce renouvellement, car leur production de protéines s'est arrêtée tôt.

#Résultats du rendement des protéines

Le rendement total des protéines produites dans chaque test a été mesuré en utilisant une méthode standard qui implique de comparer les lectures fluorescentes à des concentrations connues. Les réactions PURE ont donné des rendements de 0.43 et 0.32 mg/mL sans renouvellement, tandis qu'avec la solution d'alimentation fraîche ajoutée, le rendement a augmenté à environ 1.05 et 1.16 mg/mL. Le rendement des réactions de lysat était plus bas, oscillant entre 0.24 et 0.36 mg/mL, même avec le renouvellement des nutriments.

En utilisant ce nouveau système de dialyse, les chercheurs ont significativement amélioré l'efficacité de la production de protéines dans le système PURE par rapport aux méthodes précédentes sans dialyse. Le rendement obtenu était environ cinq fois plus élevé que les résultats précédents.

#Conclusions et applications futures

Dans ce travail, un système simple mais efficace a été introduit pour produire des protéines sans cellules, en utilisant la dialyse pour prolonger le temps de production. Les expériences ont montré que le nouveau setup peut maintenir la production de protéines pendant 12.5 jours, une amélioration significative par rapport aux méthodes antérieures. Cela pourrait s'avérer précieux dans divers domaines, y compris la création de thérapies et le développement de systèmes pour surveiller les environnements ou diagnostiquer des conditions.

Le design simple signifie que de nombreux labos peuvent facilement adopter ce système, ce qui pourrait mener à des avancées dans la façon dont les protéines sont produites pour diverses applications. De futures recherches pourraient se concentrer sur l'amélioration du rendement des protéines encore plus en testant différentes combinaisons d'ingrédients et de conditions pour réduire des problèmes comme le regroupement ou la dégradation des protéines, surtout dans les systèmes lysat. Dans l'ensemble, ce développement met en avant le potentiel des systèmes sans cellules et leur rôle dans les études scientifiques futures et les applications industrielles.