Le processus ouvre la voie à une fabrication de médicaments sûre, éthique et rapide.
Envisageant un approvisionnement en médicaments sans animaux, des scientifiques ont, pour la première fois, reprogrammé une bactérie commune pour en faire une molécule à base de polysaccharides utilisée dans des produits pharmaceutiques et nutraceutiques. Publié dans Nature Communications, les chercheurs ont modifié E. coli pour produire du sulfate de chondroïtine, un médicament mieux connu comme complément alimentaire pour traiter l'arthrite qui provient actuellement de la trachée de vache.
E. coli génétiquement modifié est utilisé pour faire une longue liste de protéines médicinales, mais il a fallu des années pour persuader les bactéries de produire même les plus simples de cette classe de molécules de sucre liées, appelées des glycosaminoglycanes sulfatés, qui sont souvent utilisées comme médicaments et nutraceutiques. .
«C'est un défi de faire de l'ingéniérie avec E. coli afin de produire ces molécules, et nous avons dû apporter de nombreux changements et équilibrer ces changements pour que les bactéries se développent bien», a dit Mattheos Koffas, chercheur et professeur de génie chimique et biologique au Rensselaer Polytechnic Institute. «Mais ce travail montre qu'il est possible de produire ces polysaccharides en utilisant E. coli sans animaux, et la procédure peut être étendue pour produire d'autres glycosaminoglycanes sulfatés.»
Au Rensselaer, Koffas a travaillé avec Jonathan Dordick, professeur de génie chimique et biologique, et Robert Linhardt, professeur de chimie et de biologie chimique. Tous trois sont membres du Center for Biotechnology & Interdisciplinary Studies (CBIS). Dordick est un pionnier dans l'utilisation d'enzymes pour la synthèse de matériaux et dans la conception d'outils biomoléculaires pour le développement de meilleurs médicaments. Linhardt est un expert des glycanes et l’une des plus grandes autorités mondiales en matière d’héparine anticoagulante, un glycosaminoglycane sulfaté actuellement dérivé de l’intestin de porc.
Linhardt, qui a développé la première version synthétique de l'héparine, a déclaré que l'ingénierie de E. coli pour produire un médicament présente de nombreux avantages par rapport au processus d'extraction actuel ou même à un processus chimioenzymatique.
«Si nous préparons le sulfate de chondroïtine chimioenzymatiquement, et que nous fabriquons un gramme, et que cela prend un mois à faire, et que quelqu'un nous appelle et dit: 'Eh bien, maintenant j'ai besoin de 10 grammes', nous allons devoir passer un mois de plus pour faire 10 grammes», a dit Linhardt. «Alors que, avec la fermentation, vous jetez l’organisme fabriqué dans un flacon, et vous avez le matériau, qu’il s’agisse d’un gramme, de 10 grammes ou d’un kilogramme. C'est le futur.»
«La capacité de doter une bactérie simple d'une voie de biosynthèse que l'on ne trouve que chez les animaux est essentielle pour la synthèse à des échelles commercialement pertinentes. Tout aussi important est que le médicament complexe que nous avons produit chez E. coli est structurellement le même que celui utilisé comme complément alimentaire.» dit Dordick.
Koffas a décrit trois étapes majeures que l'équipe devait intégrer dans la bactérie afin qu'elle produise du sulfate de chondroïtine: l'introduction d'un groupe de gènes pour produire une molécule précurseur de polysaccharide non sulfatée, l'ingénierie des bactéries pour fournir une quantité suffisante d'une molécule donneuse de soufre énergétiquement coûteuse l'introduction d'une enzyme de transfert de soufre pour mettre la molécule donneuse de soufre sur la molécule précurseur de polysaccharide non sulfaté.
L'introduction d'une enzyme sulfotransférase fonctionnelle a posé un défi particulièrement difficile.
«Les sulfotransférases sont fabriquées par des cellules beaucoup plus complexes», a dit Koffas. «Lorsque vous les sortez d’une cellule eucaryote complexe et que vous les mettez chez E. coli, ils ne sont pas du tout fonctionnels. En gros, vous n'obtenez rien. Nous avons donc dû faire pas mal d'ingénierie des protéines pour que cela fonctionne.»
L'équipe a d'abord produit une structure de l'enzyme, puis a utilisé un algorithme pour aider à identifier les mutations qu'elles pourraient apporter à l'enzyme afin de produire une version stable qui fonctionnerait chez E. coli.
Bien que les E. coli modifiés produisent un rendement relativement faible, de l'ordre du microgramme par litre, ils se développent dans des conditions de laboratoire ordinaires, offrant une preuve de concept robuste.
«Ce travail est une étape importante dans l'ingénierie et la fabrication de produits biologiques et il ouvre de nouvelles voies dans plusieurs domaines tels que la thérapeutique et la médecine régénérative qui nécessitent un approvisionnement substantiel de molécules spécifiques dont la production est perdue avec le vieillissement et les maladies», a dit Deepak Vashishth, directeur du CBIS. «De telles avancées prennent naissance et prospèrent dans des environnements interdisciplinaires rendus possibles grâce à l'intégration unique des connaissances et des ressources disponibles au CBIS de Rensselaer .»
