Une enzyme artificielle réalise 700 réactions par seconde

Des chercheurs du groupe de Donald Hilvert du Laboratoire de chimie organique (LOC) à l'ETH Zurich, en collaboration avec des scientifiques du California Institute of Technology (Caltech), ont produit l'enzyme artificielle la plus efficace à ce jour. Comme le rapportent les chercheurs dans leur publication qui vient de para?tre dans "Nature", l'enzyme nouvellement créée peut convertir 700 molécules de substrat par seconde. En comparaison avec la nature, elle s'en sort exceptionnellement bien : la triosephosphatisomerase, une enzyme naturelle particulièrement rapide, crée 430 molécules dans le même temps.

Conception informatique et "évolution dirigée

Le matériau de base pour l'enzyme nouvellement créée était une xylanase, une enzyme qui décompose naturellement le sucre. Sa forme ressemble à un tonneau ouvert en haut et en bas. Les chercheurs ont modifié son intérieur de telle sorte que l'enzyme effectue désormais une réaction complètement différente. "Comme une usine qui s'arrête et qui est reconvertie pour fabriquer un produit complètement différent", explique Rebecca Blomberg, premier auteur de l'étude et ancienne doctorante au LOC.

Les chercheurs de Caltech ont fourni la base de la transformation de l'enzyme : ils ont con?u sur ordinateur un prototype d'enzyme qui ma?trise l'"élimination de Kemp", une réaction modèle dans laquelle une molécule de substrat est modifiée par l'élimination d'un proton. L'enzyme artificielle fabriquée à l'aide de bactéries d'après le modèle des scientifiques de Caltech a certes fonctionné du premier coup, mais elle n'a traité qu'une seule molécule de substrat par seconde.

Les scientifiques de l'ETH ont donc soumis le prototype d'enzyme à ce qu'ils appellent une "évolution dirigée" en laboratoire, dans le but d'augmenter son débit. Au cours de 17 cycles, ils l'ont modifié à la fois de manière aléatoire et ciblée, ont testé son efficacité, ont sélectionné les meilleurs candidats à chaque cycle et les ont encore améliorés au cycle suivant. "En principe, le fonctionnement est similaire à celui de l'élevage canin", explique Hajo Kries, doctorant au LOC et coauteur de l'étude.

Efficacité gr?ce à une structure optimale

Mais les chercheurs ne se sont pas contentés de montrer qu'en combinant la conception informatique et l'évolution artificielle en laboratoire, il est possible de produire une enzyme artificielle aussi efficace. En collaboration avec des chercheurs de l'Institut de biochimie de l'Université de Zurich, ils ont en outre déterminé sa structure exacte. Ils peuvent ainsi expliquer en détail pourquoi l'enzyme nouvellement créée accomplit sa t?che avec autant de succès.

Ce qui est apparemment décisif, c'est que le centre actif de l'enzyme, où le substrat est traité, s'adapte aussi bien à la molécule du substrat "qu'un gant à la main". Il ne peut y occuper qu'une seule position. Dans cette position, il est parfaitement aligné, tant en termes d'angle que de distance, avec le groupe catalytique, c'est-à-dire avec la cha?ne latérale de l'enzyme qui effectue la modification sur la molécule de substrat. En outre, un groupe catalytique supplémentaire ajouté par les chercheurs soutient la réaction. Il est lui aussi parfaitement aligné avec le substrat.

Produire des enzymes au choix

"Le rêve est maintenant de pouvoir produire à l'avenir, selon le même principe, des enzymes pour n'importe quelle réaction", dit Blomberg. Bien s?r, surtout celles qui pourraient être utilisées en médecine et dans l'industrie.
Kries se projette encore un peu plus loin dans l'avenir : "Si nous pouvions enseigner à l'ordinateur ce que nous avons appris lors de l'évolution en laboratoire, il serait peut-être un jour possible de développer directement sur ordinateur des enzymes d'une telle efficacité", ce qui réduirait le temps de développement de plusieurs années à quelques mois.