Section 16 Chimie du vivant et pour le vivant : conception et propriétés de molécules d'intérêt biologique

II. Les molécules du vivant

A. Oligonucléotides

Les acides nucléiques et leurs composants, les nucléosides, constituent une classe de biomolécules dont le potentiel de recherche est en renouveau. En effet, les recherches dans ce domaine ont longtemps été cantonnées aux seules études structurales ou à la conception de nucléosides et d'oligonucléotides à visée thérapeutique : ces derniers n'ont toutefois pas donné les résultats escomptés dans des stratégies d'inhibition de l'expression génétique.

Récemment les études structurales et fonctionnelles se sont orientées vers d'autres structures d'ADN et d'ARN comme les G-quadruplexes et les séquences répétées (par exemple au niveau du centrosome). Cela nécessite la conception de nouveaux outils moléculaires pour l'étude de ces structures inhabituelles d'acides nucléiques dont le rôle biologique a été appuyé par de nombreuses études corrélatives basées sur le séquençage haut débit (par exemple ChIP-seq).

Les aptamères constituent également une classe d'acides nucléiques dont l'intérêt est croissant, notamment dans le cadre des biocapteurs. La conception d'« aptasensors » (biocapteurs basés sur les aptamères) répond aux demandes de bioanalyses de plus en plus contraignantes (par exemple procédures REACH au niveau européen). Dans ce contexte, la sélection de nouveaux aptamères contre les « petites molécules » nécessite des améliorations de la méthode SELEX, notamment pour s'affranchir du support ou de la phase d'enrichissement par PCR.

La conception de nouveaux nanomatériaux, nanomachines et nanocapteurs fondée sur les propriétés physico-chimiques de l'ADN est un domaine prometteur. Les contributions combinées de spécialistes de la matière molle, chimistes et biologistes devraient déboucher sur des progrès substantiels.

La chimie des acides nucléiques a connu des avancées majeures qui permettent aujourd'hui leur préparation à plus grandes échelles (tant en série ADN que ARN). Les méthodes de bioconjugaison contemporaines (voir § IVB) permettront l'accès à des acides nucléiques modifiés « à la carte » pour des applications dans des domaines allant de la biologie (ciblage in vivo plus efficace, compréhension plus fine du rôle biologique de certains acides nucléiques, biologie synthétique dans des organismes modèles...) à la physique (nano-électronique, conception de lab-on-a-chip...).

B. Glucides

Dans le domaine des glycosciences, la chimie continue à apporter des contributions fondamentales. La synthèse d'oligosaccharides d'intérêt reste un domaine important, qui s'appuie toujours sur le développement de nouvelles méthodes telles que les approches de fonctionnalisation ou protection tandem en un seul pot, ou encore l'assemblage direct de briques oligosaccharidiques d'origine naturelle. La chimie en flux semble aussi susceptible d'apporter des atouts intéressants notamment par le contrôle précis des conditions réactionnelles ou la facilité de montée en échelle.

On assiste également au développement de l'utilisation de la biomasse ou de déchets industriels comme matière première pour des synthèses complexes, ainsi qu'à l'utilisation, en plus des approches classiques de synthèse organique, de réactions enzymatiques ou de bioconversion directe par des micro-organismes pour simplifier certaines séquences synthétiques ou l'accès à des oligosaccharides élaborés. Les études structurales et biosynthétiques des glycanes des parois cellulaires (bactéries, champignons, plantes) conditionnent les travaux sur les identifications d'espèces et potentiellement des stratégies diagnostiques et thérapeutiques.

On constate un intérêt toujours marqué pour les phénomènes de multivalence dans l'étude et la modulation des interactions protéine-saccharide, ainsi que le développement d'inhibiteurs spécifiques de glycoenzymes (glycosylhydrolases et glycosyltransférases), ou de chaperons moléculaires. L'élaboration de glycopuces permet la découverte de nouvelles lectines ou l'identification d'oligosaccharides, cibles de lectines d'intérêt.

Étant donné le rôle biologique important des glycoconjugués, notamment en tant que messagers chimiques impliqués dans la communication et la reconnaissance cellulaire, de nouveaux outils sont développés tels que des glycoprotéines ou glycopeptides synthétiques, des mimes d'oligo- ou polysaccharides d'accès simplifiés, ou des sondes pour la chimie in vivo et le marquage métabolique de glycanes.

C. Peptides/Protéines

Les champs d'investigation et d'application des peptides sont nombreux : diagnostic, pharmacologie, vectorisation, imagerie, microbiologie, nanotechnologies, etc. On les retrouve comme biomolécules d'origine endogène (hormones, neuropeptides...) ou comme substances naturelles (molécules de défense). Ils peuvent être également modifiés (peptidomimétiques, foldamères).

En raison de leur spécificité élevée et de leur faible toxicité, les peptides sont revenus au cœur du développement de nouveaux médicaments et connaissent un renouveau important dans l'industrie pharmaceutique. Alors qu'ils ont longtemps été considérés comme undruggable, les progrès récents en synthèse, stabilisation, conception de mimes stables de liaisons peptidique, pénétration cellulaire sélective, font des peptides une alternative aux petites molécules et aux protéines thérapeutiques. L'inhibition des interactions protéine-protéine par des peptides, particulièrement des peptides contraints, et d'autres macromolécules apparentées, sont un des objectifs majeurs du champ.

Les progrès essentiels réalisés dans la préparation de ces molécules, tant par voie génétique que par voie chimique, combinés à l'essor des réactions de bioconjugaison (ou réactions de ligation chimique, voir § IVB) ont permis la réalisation d'architectures biomoléculaires sophistiquées, sur mesure pour les études biologiques. L'aspect modulaire permet d'envisager la production de chimiothèques de macromolécules au sein desquelles le chimiste fera varier non seulement les fragments peptidiques, mais aussi des oligosaccharides, oligonucléotides, glycopeptides, etc. La découverte de la réaction de ligation chimique native dans les années 90 a ouvert la porte à la synthèse chimique de protéines. Cette chimie permet de modifier les protéines au niveau atomique, ce qui jusqu'ici était difficilement atteignable par voie génétique. On peut ainsi s'attendre à des progrès majeurs dans la compréhension du rôle des modifications post-traductionnelles tant au niveau structural que fonctionnel et dans l'amélioration de protéines thérapeutiques. Mais de nombreuses avancées en matière de synthèse sont encore nécessaires pour parfaire la flexibilité de ces approches chimiques de bioconjugaison/ligation et les démocratiser. Le défi restant à relever consiste à proposer des voies d'accès plus rapides et moins onéreuses, utilisant des réactifs simples et écocompatibles, et limitant les étapes de purification.

La synthèse de peptides naturels non-ribosomaux ou ribosomaux de topologie complexe est encore un défi. La conception de novo d'oligomères adoptant un nouveau repliement (foldamères) est aussi une voie originale pour la découverte de nouvelles fonctions biologiques ou de nouveaux matériaux.

D. Les lipides

Les lipides forment non seulement des réserves énergétiques mais constituent aussi les membranes de nos cellules (phospholipides, cholestérol...). Le lipidome est donc la véritable carte des différents acides gras, en état physiologique, au contact des protéines membranaires. Les lipides non conventionnels ont, pour leur part, un effet de surfactants mimant l'environnement lipidique pour promouvoir des effets stabilisants à l'égard des protéines membranaires. Certains lipides dont les stéroïdes, les prostaglandines, prostacyclines et thromboxanes, sont des hormones lipophiles, capables de traverser la membrane plasmique des cellules pour atteindre leur site récepteur. Les lipides contribuent de manière cruciale à l'homéostasie cellulaire et tissulaire. La perturbation de ces équilibres dans un certain nombre de pathologies humaines entraîne de fait un regain d'attention et d'investissement des laboratoires de recherche de la section 16 pour la synthèse de molécules les ciblant directement ou indirectement, ou permettant d'avoir accès aux interactions entre les lipides et les autres constituants biologiques, qui sont souvent la clef du déclenchement ou de la propagation d'information au niveau cellulaire. En conséquence, le marquage spécifique de lipides, et l'accès à des sondes permettant de caractériser les propriétés physico-chimiques d'une membrane lipidique, sont des domaines en pleine évolution.

E. Les métaux dans le vivant

Les métaux sont indispensables à la vie mais souvent peu bio-disponibles et toxiques. Le vivant a mis en place des stratégies pour les importer de façon strictement contrôlée et réguler leur distribution dans chaque compartiment cellulaire (spéciation). L'équilibre cellulaire (homéostasie) des cations métalliques est orchestré par des protéines et des petites molécules (chélateurs). Chez l'homme, des dysfonctionnements dans l'homéostasie des métaux engendrent des pathologies telles les maladies neurodégénératives et certains cancers. Les métaux jouent un rôle clé dans les métalloprotéines. Ils interviennent majoritairement dans des processus de transfert d'électrons (photosynthèse, respiration...) mais ont aussi un rôle dans la structuration des protéines (doigt de zinc par exemple), dans le transport de petites molécules et dans des phénomènes impliquant leur fonction d'acide de Lewis (hydrolyse, réarrangement).

La chimie bioinorganique s'attache à comprendre le rôle des métaux dans les mécanismes du vivant et à mimer ces activités par la conception de systèmes artificiels bioinspirés. Ce champ de recherche est pluridisciplinaire et son investigation requiert des compétences qui recouvrent la quasi-totalité du périmètre d'expertise de la section 16.

La conception de métalloenzymes artificielles (systèmes hybrides entre un complexe métallique et une biomolécule) capables de catalyser des réactions énantiosélectives est un domaine en plein essor. L'élucidation à l'échelle moléculaire des mécanismes utilisés par les métalloenzymes impliquées dans des processus biologiques est un axe majeur de cette discipline. On citera le transport des métaux, la biosynthèse de produits naturels essentiels, la production d'espèces réactives de l'azote ou de l'oxygène, la production d'hydrogène, la réduction du CO2 ou plus récemment la décomposition de la biomasse cellulosique. Il en découle des avancées importantes dans le domaine de la médecine mais également en chimie durable par le développement de systèmes bio-inspirés pour la catalyse. L'assemblage des complexes enzymatiques contenant des métalloprotéines, la biogénèse des centres métalliques et leur rôle en tant que senseur de stress oxydant ou de fer (Fnr, SoxR, etc.) sont également au cœur du débat.

Le développement de complexes métalliques et organométalliques pour la thérapie ou le diagnostic, la conception de molécules intelligentes capables d'utiliser les propriétés des métaux ou les systèmes de transport des métaux pour adresser des agents thérapeutiques dans des cellules, la conception de chélateurs pour le traitement de la surcharge du fer ou l'exposition aux cations métalliques toxiques, la conception d'inhibiteurs de métalloenzymes illustrent l'apport de la chimie bioinorganique dans le domaine du médical.

Par les percées récentes réalisées dans cette discipline, la communauté française a trouvé sa place dans la compétition internationale

F. Biocatalyse/Biologie de synthèse

La biocatalyse connaît une avancée considérable depuis une dizaine d'années. Il existe aujourd'hui plus de 5 000 enzymes répertoriées. L'irruption des données de métagénomique liée à l'abaissement considérable du coût de séquençage des génomes, allié à la miniaturisation et l'augmentation des performances des tests à haut débit permet déjà d'accéder à de nouvelles activités catalytiques utilisables en chimie que ce soit à partir d'organismes entiers ou d'enzymes isolées. Dans ce domaine de l'amélioration des tests d'activité automatisables, la chimie a su trouver sa place en mettant au point de nombreux dérivés et sondes colorimétriques, fluorogéniques ou chémiluminescentes, spécifiques d'activités enzymatiques ciblées. L'ingénierie moléculaire des catalyseurs enzymatiques (par mutagénèse ou par chimie) a conduit à des améliorations majeures de leur stabilité, leur résistance à la température ou aux solvants, leur sélectivité.

Le développement actuel des biocatalyseurs nécessite l'étroite collaboration entre des chimistes, des biochimistes, des généticiens, des informaticiens, des modélisateurs et des mathématiciens pour décrypter les métagénomes, reconstituer des voies métaboliques théoriques, proposer des modèles structuraux pour les candidats enzymes, caractériser biochimiquement (enzymatiquement) ces nouvelles enzymes, les modifier si besoin pour moduler leur activité ou encore créer de novo de nouvelles voies biosynthétiques.

La production de « produits naturels » modifiés par une combinaison de méthodes biologiques et chimiques constitue un nouveau domaine émergent de la biologie synthétique. L'objectif est de modifier le squelette de produits naturels par reprogrammation de lignes d'assemblage biosynthétiques (biosynthèse combinatoire), ou en utilisant des précurseurs non-naturels synthétisés chimiquement (mutasynthèse). Cette approche permet également d'affiner la compréhension des mécanismes de biosynthèse de produits naturels.

L'émergence de la biologie synthétique en chimie fine et biotechnologie blanche va nécessiter l'expertise des chimistes d'interface et des enzymologistes. On peut se féliciter de la structuration récente de ce secteur et de la communauté liée à la biologie de synthèse, ce qui est plein de promesses pour les biotechnologies blanches. Le réseau CBSO (Club Biocatalyse et Synthèse Organique) qui fédère une vingtaine de laboratoires allant de la synthèse organique au génopole (institut de génomique) a déjà permis des collaborations essentielles pour l'émergence de nouvelles réactions grâce à des approches intégratives.