Un nouveau procédé facilite la fabrication d'acides aminés qui n'existent pas dans la nature

Chaque protéine de votre corps est constituée des mêmes 20 éléments constitutifs appelés acides aminés. Mais ce n’est pas parce que la nature dispose d’une boîte à outils limitée que les humains ne peuvent pas l’étendre.

Une étude publiéeen Science par une équipe comprenant des chimistes de Pitt décrit une nouvelle façon puissante de créer des acides aminés « non naturels », qui pourraient être utilisés dans des thérapies à base de protéines et ouvrir de nouvelles branches de la chimie organique.

"Il s'agit d'une transformation complètement nouvelle : nouvelle pour la nature et nouvelle pour la chimie", a déclaré Peng Liu, professeur de chimie à l'École des arts et des sciences Kenneth P. Dietrich et auteur correspondant de l'article. "Dire à une enzyme de créer une configuration non naturelle d'un acide aminé est inhabituel, et vous devez le faire avec une bio-ingénierie minutieuse."

Changez un seul morceau d'une protéine plus grosse et vous pourrez modifier sa forme et son action. Les acides aminés non naturels sont donc prometteurs pour ouvrir de nouveaux types de thérapies comme les antibiotiques ou les immunosuppresseurs qui utilisent des protéines ou leurs cousins ​​plus petits.

Cependant, la création de telles molécules en laboratoire est un processus onéreux en plusieurs étapes : les morceaux d’acide aminé qui se lient les uns aux autres pour former une chaîne protéique doivent être protégés pendant que les chercheurs transforment chimiquement le reste de la molécule. La réaction décrite dans le nouvel article est cependant plus simple et plus efficace, et offre aux chimistes un niveau de contrôle sans précédent sur la manière dont les groupes d’atomes sont orientés dans la molécule résultante.

Il utilise également un outil chimique, une enzyme PLP, de manière inhabituelle. Les enzymes sont des protéines qui catalysent des réactions. Généralement, même lorsque leurs fonctions sont modifiées par la bio-ingénierie, tout ce qu'elles peuvent faire est d'accélérer des processus chimiques connus que les chimistes pourraient réaliser par d'autres moyens, quoique plus lents. Mais associée à un catalyseur moléculaire sensible à la lumière, l’enzyme de cette nouvelle réaction peut accomplir bien plus que cela.

"Vous pouvez affirmer que les enzymes issues de la bio-ingénierie offrent une meilleure efficacité que les catalyseurs à petites molécules, mais elles catalysent la même réaction", a déclaré Liu. « Mais c’est une réaction entièrement nouvelle. Cela n’existait tout simplement pas auparavant.

Le groupe de Liu utilise des simulations informatiques pour comprendre la danse complexe qui se produit dans une réaction chimique au niveau des atomes et des électrons, en ajoutant le « pourquoi » au « quoi » découvert par les groupes qui mènent des expériences. Pour cet article, Binh Khanh Mai, chercheur postdoctoral de Liu et Pitt, a travaillé avec une équipe de chercheurs de l'UC Santa Barbara dirigée par Yang Yang - une collaboration qui se poursuit depuis 2014, lorsque Yang a passé un été dans le laboratoire de Liu en tant qu'étudiant diplômé invité. .

Liu et Mai ont plongé dans les données fournies par le groupe de Yang pour comprendre comment et pourquoi la réaction a eu lieu, déroutant les étapes intermédiaires invisibles pour les chimistes. Dans une étape que le duo a examinée de plus près, un électron doit parcourir une distance inhabituellement longue sur son chemin entre deux molécules. "Nous avons dû modéliser soigneusement la probabilité que cela se produise, car il s'agit d'une étape nouvelle dans la nature et qui soutient l'ensemble du mécanisme de réaction", a déclaré Liu.

Ces modèles reposent sur une formidable puissance de calcul. Liu cite le Centre de recherche informatique de Pitt comme un ingrédient essentiel du succès du laboratoire, car les simulations complexes que le groupe effectue pour comprendre les subtilités des réactions chimiques nécessitent du temps avec des superordinateurs puissants et de pointe.

Malgré cela, des questions restent encore sans réponse, et cet article n'est que la première étape d'une série de collaborations entre les deux équipes. S'ils parviennent à mieux comprendre pourquoi cette réaction inhabituelle se produit, le groupe de Liu pourrait ouvrir la possibilité de l'exploiter dans différents contextes pour créer une grande variété de nouveaux outils chimiques, médicaments et bien plus encore.

"Vous pouvez penser au nombre de types différents d'acides aminés non naturels que vous pourriez fabriquer : il y en a un nombre presque illimité", a déclaré Liu. « Alors pouvons-nous également utiliser ces informations pour développer d’autres nouvelles réactions ? »