De nouvelles substances actives à partir de milliards de molécules nouvellement combinées

De nos jours, on parle beaucoup de nouveaux traitements médicaux spectaculaires tels que la thérapie personnalisée contre le cancer à l'aide de cellules immunitaires ou d'anticorps modifiés. Toutefois, ces traitements sont très complexes et coûteux et ne trouvent donc qu'une application limitée. La plupart des thérapies médicales sont encore basées sur de petits composés chimiques qui peuvent être produits en grandes quantités et donc à faible coût.

Des milliards de nouvelles molécules en quelques semaines seulement

Le goulot d'étranglement dans le développement de nouvelles thérapies moléculaires est le nombre limité de nouvelles substances actives qui peuvent être trouvées avec les techniques actuelles. Une méthode développée dans les années 2000 à Harvard et à l'ETH Zurich promet d'y remédier : Les chimiothèques encodées dans l'ADN (DEL).

Jusqu'à présent, la technologie DEL permettait de produire des millions de composés chimiques et de tester leur efficacité en une seule fois. Toutefois, l'inconvénient de cette méthode est que les chercheurs et chercheuses ne peuvent construire que de petites molécules à partir de quelques éléments chimiques. Des chimistes de l'ETH Zurich ont maintenant affiné et considérablement amélioré ce processus.

Grâce à la nouvelle méthode, récemment publiée dans la célèbre revue Science, les chercheuses et chercheurs peuvent désormais synthétiser et tester automatiquement non pas quelques millions, mais des milliards de substances différentes en l'espace de quelques semaines. La méthode peut également être appliquée à la production de molécules médicamenteuses beaucoup plus grandes, telles que des peptides en forme d'anneau, qui peuvent être utilisées pour cibler des objectifs pharmacologiques supplémentaires.

Créer et tester toutes les combinaisons

«Les premières substances actives développées à l'aide de la technologie DEL précoce font actuellement l'objet d'essais cliniques avancés. Cette nouvelle méthode DEL élargit à nouveau considérablement les possibilités», explique Jörg Scheuermann. Lui et son groupe de recherche à l'Institut des sciences pharmaceutiques font partie des pionniers de la technologie DEL, qui est considérée comme la clé de l'utilisation des possibilités combinatoires dans la production chimique de molécules dans la pratique.

L'objectif de la chimie combinatoire est de produire autant de variantes moléculaires que possible à partir d'éléments de base individuels. Parmi toutes ces combinaisons, les chercheuses et chercheurs repèrent celles qui présentent l'activité souhaitée. Le nombre de molécules différentes croît de manière exponentielle avec le nombre de cycles de synthèse et avec le nombre de blocs de construction différents qui sont combinés dans chaque cycle de synthèse.

Utilisation du code ADN pour identifier les molécules actives

Pour que les scientifiques puissent identifier les composés actifs individuels dans la «soupe moléculaire» en croissance rapide des tests d'efficacité, la méthode DEL attache un court fragment d'ADN défini à la molécule parallèlement à chaque élément constitutif de l'ingrédient actif. Cela crée une séquence d'ADN unique qui sert de code-barres lisible pour chaque combinaison d'éléments constitutifs.

Par exemple, toute la soupe de molécules peut être testée pour sa capacité à se lier à une protéine spécifique, et les segments d'ADN individuels peuvent être amplifiés et clairement identifiés à l'aide de la technique PCR (Amplification en Chaîne par Polymérase), familière aux tests COVID.

Prévenir la croissance exponentielle de la contamination

Cependant, la réalité chimique a jusqu'à présent fortement limité les possibilités de la technologie DEL. Le processus de liaison des fragments d'ADN avec les éléments chimiques est toujours fiable, mais l'efficacité avec laquelle ces éléments se lient chimiquement varie en fonction de la combinaison. Par conséquent, le code ADN perd son caractère unique.

Le même code peut se référer non seulement à la molécule complète avec tous les éléments constitutifs, mais aussi à des variantes tronquées ne contenant que certains des éléments constitutifs. Ces impuretés augmentent également de manière exponentielle à chaque cycle de synthèse. Dans la pratique, cela a limité la taille gérable des bibliothèques DEL à des combinaisons de trois ou quatre blocs connectés et donc à plusieurs millions de composés différents.

Auto-épuration intégrée

L'équipe de recherche de Jörg Scheuermann a maintenant trouvé un moyen d'empêcher la contamination croissante de la bibliothèque moléculaire : purifier la DEL synthétisée jusqu'au dernier élément constitutif. La méthode des scientifiques de l'ETH Zurich repose sur deux éléments principaux. Premièrement, la synthèse des molécules est couplée à des particules magnétiques qui peuvent être manipulées facilement et automatiquement. Cela permet notamment de réaliser des cycles de lavage. Deuxièmement, l'équipe a introduit un deuxième composant de couplage chimique sur les particules qui ne peut se lier qu'au dernier des éléments constitutifs prévus.

Toutes les molécules tronquées auxquelles il manque, par exemple, le dernier élément constitutif, peuvent être éliminées en une seule étape de lavage. Au final, la bibliothèque ne contient que les molécules qui contiennent tous les éléments de construction spécifiés dans le code ADN.

Conflit avec la chimie combinatoire

Aussi élégante qu'elle puisse paraître sur le papier, la méthode a été difficile à mettre en œuvre, comme l'explique Jörg Scheuermann : «Il a été particulièrement difficile de trouver des particules magnétiques qui n'interfèrent pas avec le couplage enzymatique des fragments d'ADN. Dans le cadre de leurs projets de doctorat, Michelle Keller et Dimitar Petrov de mon groupe ont investi beaucoup de temps et d'énergie pour s'assurer que la méthode fonctionne de manière fiable».

L'idée de réaliser ce type de chimie combinatoire sur des particules est apparue dans les années 1990, mais ce n'est que maintenant que les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich ont réussi la mise en pratique de la synthèse DEL.

Des molécules plus diverses et plus grosses

La technologie DEL auto-purifiante ne permet pas seulement de manipuler des bibliothèques beaucoup plus importantes de plusieurs milliards de molécules ; elle permet également aux scientifiques de synthétiser des molécules plus grandes composées de cinq éléments constitutifs ou plus. «Auparavant, nous pouvions rechercher de petites substances actives qui s'inséraient comme une clé dans la serrure du site actif de protéines importantes sur le plan thérapeutique, mais maintenant nous pouvons également en rechercher de plus grandes. Ces substances actives de plus grande taille peuvent s'ancrer non seulement dans les centres actifs d'une protéine, mais aussi dans d'autres zones spécifiques de la surface d'une protéine, par exemple pour l'empêcher de se lier à un récepteur», explique Jörg Scheuermann.

La recherche biologique fondamentale bénéficie également de la possibilité de trouver des molécules qui se lient à certaines surfaces de protéines, car cela permet d'étiqueter et d'examiner les protéines dans leur contexte cellulaire. En outre, la méthode de l'ETH Zurich pourrait être un atout pour les grandes initiatives internationales de recherche telles que Target 2035. Cette initiative porte sur les quelque 20'000 protéines humaines et vise à trouver, d'ici 2035, une molécule pour chacune d'entre elles qui se lie spécifiquement à cette protéine et peut donc influencer sa fonction.

Service de spin-off pour l'industrie et la science

Afin de mettre la technologie à la disposition de l'industrie pharmaceutique et de la recherche fondamentale le plus efficacement possible, Jörg Scheuermann et son équipe vont créer une entreprise dérivée. Cette société proposera l'ensemble du processus : du développement des collections DEL et de la synthèse automatisée aux tests d'efficacité automatisés et à l'identification des molécules à partir de l'ADN. «Nous constatons un immense intérêt de la part de l'industrie et de la recherche, en particulier pour les molécules cycliques qui, jusqu'à présent, n'ont pas été accessibles en grand nombre», explique Jörg Scheuermann.