Quand la lumière pousse les protéines à évoluer

L’évolution est la puissante méthode d’ingénierie de la biologie. Elle fonctionne en générant de nombreuses variantes d’ADN, d’ARN et de protéines au sein des cellules, puis elle laisse la nature « sélectionner » les organismes les plus performants. Les premiers agriculteurs ont commencé à utiliser l’évolution en intervenant dans la sélection naturelle, ne laissant se reproduire que les cultures et le bétail les plus productifs.

Dans les laboratoires, les scientifiques ont mis au point des méthodes pour diriger l’évolution des protéines, en particulier des enzymes et des anticorps, utilisées dans les détergents ménagers, la médecine et l’industrie. Le problème des méthodes existantes est qu’elles appliquent une pression sélective constante, ce qui tend à produire des protéines toujours fortement actives. Or la biologie ne fonctionne pas ainsi : les protéines de signalisation, les « interrupteurs » protéiques et les « portes logiques » protéiques (les protéines qui combinent plusieurs signaux pour prendre une décision oui/non) changent d’état au fil du temps.

Par exemple, une protéine peut devoir s’activer brièvement, puis s’éteindre, puis se réactiver. Si les méthodes d’évolution dirigée ne sélectionnent qu’un seul état, les autres états importants de la protéine peuvent perdre leur fonction ou cesser d’exister, ce qui peut être biologiquement délétère (par exemple, entraîner la mort cellulaire). Ainsi, les approches d’évolution dirigée peinent à produire des comportements protéiques dynamiques et multiétats.

La lumière dans l’obscurité de l’évolution dirigée

Une équipe dirigée par Sahand Jamal Rahi, professeur au Laboratoire de physique des systèmes biologiques de l’EPFL, a développé une méthode appelée « optovolution ». Elle utilise la lumière pour guider l’évolution de protéines dotées de fonctions dynamiques, multiétats et computationnelles — c’est-à-dire capables de prendre des positions oui/non selon des règles spécifiques.

Ces travaux, publiés dans la revue Cell, rapprochent l’évolution dirigée du fonctionnement réel des cellules, où la temporalité et la commutation sont aussi importants que l’intensité d’activité.

L’équipe a construit son système dans de la levure de boulanger Saccharomyces cerevisiae, couramment utilisée pour la fermentation de la bière et organisme modèle en laboratoire. Ils ont reconfiguré le cycle cellulaire de la levure de sorte que sa progression dépende de la protéine à faire évoluer, avec une alternance nette entre états actif et inactif.

La clé consistait à relier le signal de sortie de la protéine à un régulateur du cycle cellulaire indispensable à une étape, mais toxique à une autre. Si la protéine restait active ou inactive trop longtemps, la cellule de levure cessait de se diviser ou mourait. Seules les cellules dont la protéine oscillait correctement pouvaient continuer à proliférer.

Les chercheurs et chercheuses ont ensuite utilisé la lumière pour un contrôle externe précis. En recourant à l’optogénétique — une technique permettant d’activer ou d’inactiver des gènes grâce à la lumière — ils pouvaient contrôler la protéine afin qu’elle change d’état au rythme d’impulsions lumineuses programmées. Chaque cycle cellulaire d’environ 90 minutes constituait un test rapide de réussite ou d’échec selon que la protéine commutait au bon moment. Ainsi, l’optovolution favorise les variantes présentant une meilleure dynamique, sans criblage manuel ni interventions répétées.

Nouvelles variantes et nouvelles couleurs

Grâce à l’optovolution, l’équipe a fait évoluer plusieurs classes de protéines. D’abord, les scientifiques ont amélioré un facteur de transcription largement utilisé et contrôlé par la lumière. Ils ont obtenu 19 nouvelles variantes, soit plus sensibles à la lumière, soit moins actives dans l’obscurité, soit capables de répondre à la lumière verte plutôt qu’à la seule lumière bleue. Jusqu’à présent, obtenir une réponse à des longueurs d’onde plus chaudes que le bleu était considéré comme très difficile à concevoir, en raison de la manière dont ces protéines absorbent la lumière.

L’équipe a aussi fait évoluer un système optogénétique activé par la lumière rouge afin qu’il n’y ait plus besoin, chez la levure, d’ajouter un cofacteur chimique. L’évolution a révélé une mutation qui désactivait une protéine de transport normale de la levure, permettant de façon inattendue au système d’utiliser des molécules photosensibles déjà présentes dans la cellule, ce qui facilite grandement son utilisation expérimentale.

Enfin, l’étude a montré que l’optovolution ne se limite pas aux protéines sensibles à la lumière. Les chercheurs ont fait évoluer un facteur de transcription se comportant comme un ordinateur constitué d’une seule protéine, activant des gènes uniquement lorsque deux signaux différents étaient présents simultanément : un signal lumineux et un signal chimique.

Les fonctions dynamiques des protéines sont au cœur de la détection, de la prise de décision et du contrôle en biologie, de la réponse des cellules au stress à leur engagement dans la division. En rendant ces comportements continuellement évolutifs à l’intérieur de cellules vivantes, l’optovolution ouvre de nouvelles perspectives pour la biologie synthétique, la biotechnologie et la recherche fondamentale.

Cette étude pourrait contribuer à construire des circuits cellulaires plus intelligents, développer des systèmes optogénétiques contrôlables indépendamment par différentes couleurs de lumière et explorer comment des comportements protéiques complexes émergent au cours de l’évolution.

Autres contributeurs

• Laboratoire d'ingénierie des protéines et des cellules de l'EPFL
• Université de Bayreuth
• Centre hospitalier universitaire vaudois (CHUV)

Financement

• Fonds national suisse (FNS)
• EPFLglobaLeaders doctoral fellowship
• Deutsche Forschungsgemeinschaft