AGENTEX : un laboratoire robotisé pour réinventer le code génétique

AGENTEX — pour Automated Genetic tRNA Expansion — change l’ordre habituel des opérations en ingénierie du code génétique. Plutôt que de modifier d’abord le génome d’un organisme et de découvrir ensuite si le nouveau système de traduction fonctionne, les chercheurs peuvent assembler des systèmes candidats en laboratoire, les tester avec des robots, puis retenir les plus prometteurs pour d’éventuelles expériences sur des cellules vivantes. 6

Les travaux présentés décrivent des systèmes capables d’utiliser jusqu’à 34 éléments constitutifs d’acides aminés, contre 20 dans le code biologique standard. 7 L’enjeu n’est pas d’augmenter le nombre fondamental de codons — il en existe toujours 64 — mais de rendre davantage de ces codons disponibles pour de nouvelles fonctions.

Le verrou qu’AGENTEX cherche à contourner

Le code génétique standard associe 64 codons, c’est-à-dire des triplets de bases, à 20 acides aminés ainsi qu’aux signaux de début et de fin de traduction. Plusieurs codons sont redondants : ils désignent le même acide aminé, ce qui ouvre théoriquement la voie à leur réaffectation.

Dans une cellule vivante, toutefois, changer le sens d’un codon est risqué. Ce même codon peut être présent dans de nombreux gènes essentiels. Lui attribuer un nouvel acide aminé pourrait donc provoquer une mauvaise traduction à grande échelle. Il faudrait souvent supprimer ou remplacer toutes ses occurrences dans le génome, tout en empêchant la machinerie cellulaire naturelle de concurrencer le système conçu par les chercheurs.

AGENTEX commence l’expérience en dehors de la cellule. Les scientifiques fournissent un ensemble personnalisé de composants de traduction et vérifient si une nouvelle table « codon-acide aminé » produit bien la protéine ou le peptide attendu, avant d’entreprendre une modification génomique à l’échelle d’un organisme. 615

Comment fonctionnent ces codes génétiques remodelés

Un codon est interprété grâce à l’interaction entre l’ARN messager, un ARN de transfert — ou ARNt — et la machinerie de traduction. AGENTEX s’intéresse précisément à ces relations moléculaires, au lieu de considérer le code naturel comme immuable.

Les travaux ont porté sur des ribosomes, des ARNt et des aminoacyl-ARNt synthétases — les enzymes qui chargent les acides aminés sur les ARNt — conçus pour se reconnaître mutuellement et rester séparés du système de traduction standard. Les chercheurs ont également automatisé le criblage de bibliothèques d’ARNt synthétiques afin d’identifier ceux qui sont correctement chargés en acides aminés. 6

Cette approche permet d’attribuer certains codons à d’autres acides aminés, y compris des acides aminés non standards, au sein d’une réaction de traduction reconstruite sans cellules. Des systèmes reconstitués utilisant des ARNt transcrits in vitro avaient déjà montré qu’il était possible de produire des protéines selon un code génétique simplifié ou réorganisé ; AGENTEX transforme ce principe en une chaîne de prototypage automatisée et multiparallèle. 5

Les résultats fournis décrivent deux codes génétiques remodelés évalués aux côtés du code standard, avec la réaffectation de jusqu’à trois codons et l’incorporation d’acides aminés non standards. 8 Chaque système alternatif repose sur son propre ensemble de composants compatibles. Les chercheurs peuvent ainsi comparer plusieurs architectures dans un même cadre expérimental, sans imposer une nouvelle interprétation à l’ensemble d’un génome vivant.

Pourquoi l’automatisation change la donne

Un code génétique n’est pas seulement un tableau de correspondance. Pour qu’une réaffectation fonctionne, les ARNt concernés doivent reconnaître les bons codons, les synthétases correspondantes doivent leur associer les bons acides aminés et le ribosome doit accepter les complexes obtenus avec suffisamment de précision et d’efficacité. Les plateformes de traduction sans cellules permettent d’ajouter, de retirer ou de remplacer chacun de ces composants séparément. 1516

AGENTEX s’appuie sur cette contrôlabilité pour organiser un cycle de conception, de construction et de test :

1. Concevoir une table de codons candidate et les composants nécessaires pour l’appliquer.
2. Assembler les combinaisons d’ARNt, de synthétases et de ribosomes dans une réaction sans cellules.
3. Tester le chargement des ARNt, la traduction et l’incorporation des acides aminés choisis.
4. Comparer le rendement, la fidélité et l’orthogonalité de nombreux systèmes candidats.
5. Sélectionner les modèles les plus solides avant de passer à des expériences biologiques plus complexes.

Le bénéfice concret est double : gagner du temps et explorer davantage de possibilités. Un système défaillant peut être écarté au stade de la réaction, sans devenir un projet coûteux de construction d’un organisme. À l’inverse, un système prometteur peut être amélioré avant d’aborder l’édition du génome, la construction d’une souche et les validations nécessaires dans des cellules. 6

Ce qu’AGENTEX n’a pas encore résolu

AGENTEX démontre une plateforme de traduction in vitro. Elle ne crée pas, à elle seule, un organisme viable capable de maintenir, de répliquer et de réguler durablement un code génétique profondément modifié.

Le passage à une cellule vivante supposerait encore de relever plusieurs défis :

• Compatibilité avec le génome : les codons réaffectés devraient probablement être supprimés ou remplacés afin d’éviter la mauvaise traduction des protéines naturelles.
• Contrôle des composants : les ARNt, les synthétases et éventuellement les ribosomes conçus devraient fonctionner de manière fiable avec, ou à la place de, la machinerie cellulaire native.
• Disponibilité des acides aminés : la cellule devrait importer ou fabriquer chaque acide aminé non standard et l’orienter vers la bonne voie de traduction.
• Chargement sélectif : chaque synthétase devrait charger le bon acide aminé sur le bon ARNt, sans réactions croisées indésirables. 5
• Performances biologiques : le système devrait conserver un rendement protéique, une précision, une croissance et une capacité de transmission suffisants au fil des générations.

Des travaux cellulaires récents donnent une idée de l’ampleur de la difficulté. Un système chez les mammifères a rapporté l’incorporation simultanée de jusqu’à cinq acides aminés synthétiques distincts dans une même protéine, grâce à la réaffectation de codons rares. 4 C’est un résultat important dans une cellule, mais il ne correspond pas à la démonstration d’un organisme stable et autoréplicatif utilisant l’architecture AGENTEX complète à 34 acides aminés. Les éléments fournis ne permettent pas d’affirmer qu’un tel organisme a été construit.

Les applications possibles

Élargir l’alphabet des protéines

Les protéines naturelles sont fabriquées à partir d’un ensemble relativement restreint de briques moléculaires. Des codes plus flexibles pourraient permettre d’explorer des protéines et des biopolymères peptidiques contenant des groupes chimiques, des chaînes latérales ou des structures du squelette qui ne sont pas accessibles par la traduction ordinaire. Le projet AGENTEX relie explicitement sa plateforme à la synthèse de biopolymères peptidiques et au prototypage de codes génétiques à la demande. 6

Accélérer la découverte de médicaments

Les acides aminés non standards peuvent apporter des propriétés intéressantes en recherche pharmaceutique : réactivité modifiée, meilleure stabilité ou possibilité de conjugaison contrôlée. AGENTEX pourrait faciliter le criblage précoce d’un grand nombre de candidats moléculaires.

Il s’agit toutefois d’un avantage pour la découverte et l’ingénierie, pas de la preuve qu’un médicament issu d’AGENTEX existe déjà. Toute application thérapeutique devrait encore satisfaire les exigences habituelles en matière d’efficacité, de sécurité, de distribution et de fabrication.

Concevoir de nouveaux matériaux

La synthèse ribosomale offre un contrôle précis de la séquence. En y ajoutant un éventail plus large de briques chimiques, les chercheurs pourraient explorer des biomatériaux dotés de propriétés nouvelles — liaison, catalyse, optique, résistance mécanique ou auto-assemblage. Des systèmes sans cellules ont déjà permis de produire des protéines actives avec des codes réorganisés, fournissant une base à ce type d’expérimentation. 5

Préparer une forme d’isolement génétique

Un code génétique suffisamment différent pourrait, à terme, compliquer les échanges de gènes fonctionnels entre un organisme conçu et les organismes naturels, ou limiter la capacité de certains parasites biologiques à l’exploiter. AGENTEX ne démontre pas un tel isolement. Sa contribution immédiate consiste plutôt à comparer des codes potentiellement orthogonaux avant de tenter l’installation beaucoup plus difficile d’un de ces systèmes dans un organisme vivant et reproductible.

AGENTEX face aux approches précédentes

L’expansion traditionnelle du code génétique commence souvent par l’attribution d’un acide aminé non standard à un codon stop, ou par la libération d’un petit nombre de codons au prix d’un recodage massif du génome. D’autres travaux ont abouti à des systèmes plus larges, dont un code à 68 codons capable d’intégrer quatre acides aminés non canoniques distincts dans une même protéine. Des recherches menées sans cellules ont également produit des codes échangés ou simplifiés à l’aide d’ARNt conçus ou transcrits in vitro. 35

La particularité d’AGENTEX tient donc autant à son flux de travail qu’au nombre d’acides aminés annoncé : il s’agit de prototyper de façon automatisée et multiparallèle des systèmes de traduction avant de recoder une cellule. La plateforme crée une étape de sélection entre le modèle théorique d’un code génétique et sa mise en œuvre dans un organisme vivant.

Cette étape pourrait réduire les efforts perdus, révéler plus tôt les incompatibilités et élargir le nombre d’architectures que les chercheurs peuvent tester. La réserve essentielle demeure : AGENTEX rend les codes génétiques alternatifs plus faciles à prototyper, mais ne fait pas disparaître les difficultés biologiques et techniques liées à leur fonctionnement dans une cellule.