Évolution dirigée
L'évolution dirigée (DE) est une méthode utilisée pour produire des enzymes à des fins industrielles ou médicales.
La méthode est l'ingénierie des protéines qui imite la sélection naturelle.
L'idée de base est de faire subir à un gène des cycles de mutation répétés, pour constituer une bibliothèque de variantes. La sélection permet d'isoler les gènes ayant la fonction souhaitée. Ils constituent un modèle pour le prochain cycle.
Cela peut se faire in vivo (dans des cellules vivantes de bactéries ou de levures), ou in vitro (en solution libre ou en microgouttelettes).
En testant davantage de mutants, on augmente les chances d'en trouver un qui possède les propriétés souhaitées.
Au cours de l'évolution in vivo, chaque cellule (généralement une bactérie ou une levure) est transformée avec un plasmide contenant un membre différent de la bibliothèque de variantes. Seul le gène d'intérêt diffère entre les cellules, tous les autres gènes restant les mêmes.
Les cellules expriment la protéine soit dans leur cytoplasme, soit à la surface où sa fonction peut être testée. Ce format présente l'avantage de sélectionner les propriétés dans un environnement cellulaire, ce qui est utile lorsque la protéine ou l'ARN évolué doit être utilisé dans des organismes vivants.
Lorsqu'il se passe sans cellules, DE utilise la traduction de transcription in vitro pour produire des protéines ou de l'ARN libre en solution ou à l'intérieur de microgouttelettes artificielles. Cela a l'avantage de permettre un plus grand nombre de conditions (par exemple, la température, les solvants). Elle peut exprimer des protéines qui seraient toxiques pour les cellules. En outre, les expériences d'évolution in vitro peuvent générer des bibliothèques beaucoup plus importantes (jusqu'à 1015) car il n'est pas nécessaire d'insérer l'ADN de la bibliothèque dans les cellules. Cela limite souvent ce qui peut être fait.
Un exemple d'évolution dirigée par rapport à l'évolution naturelle. Le cycle interne montre les trois étapes du cycle d'évolution dirigée avec le processus naturel imité entre parenthèses. Le cercle extérieur montre les étapes d'une expérience typique. Les symboles rouges indiquent des variantes fonctionnelles, les symboles pâles indiquent des variantes à fonction réduite
Garantir l'hérédité
Lorsque des protéines fonctionnelles ont été isolées, il est nécessaire que leurs gènes le soient également, d'où la nécessité d'une liaison génotype-phénotype.
Cela peut être covalent, où le gène de l'ARNm est lié à la protéine à la fin de la traduction par la puromycine.
La protéine et son gène peuvent également être conservés ensemble, ou dans des gouttelettes en émulsion. Les séquences de gènes isolées sont ensuite multipliées par PCR ou par des bactéries hôtes transformées. La meilleure séquence ou un ensemble de séquences peut être utilisé comme modèle pour le prochain cycle de mutagenèse. Les cycles répétés de diversification-sélection-amplification permettent d'adapter les variations enzymatiques au processus de sélection.
Une protéine exprimée peut être liée de manière covalente à son gène (comme dans l'ARNm), à gauche, ou placée dans le même compartiment que lui, à droite. Dans les deux cas, le gène qui code pour la protéine est isolé
Prix décerné
L'ingénieur américaine Frances Arnold a remporté le Millennium Technology Prize pour avoir été la pionnière de l'évolution dirigée.
Questions et réponses
Q : Qu'est-ce que l'évolution dirigée ?
R : L'évolution dirigée (ED) est une méthode utilisée pour produire des enzymes à des fins industrielles ou médicales. Il s'agit d'une forme d'ingénierie des protéines qui imite la sélection naturelle.
Q : Comment fonctionne l'évolution dirigée ?
R : L'évolution dirigée fonctionne en soumettant un gène à des cycles répétés de mutation, créant ainsi une bibliothèque de variantes. La sélection isole ensuite les gènes ayant la fonction désirée, qui sont ensuite utilisés comme modèles pour le tour suivant.
Q : Où peut-on faire de l'évolution dirigée ?
R : L'évolution dirigée peut se faire in vivo (dans des cellules vivantes de bactéries ou de levures), ou in vitro (libre en solution ou en microgouttelettes).
Q : Quels sont les avantages de faire de l'évolution dirigée in vivo ?
R : L'évolution dirigée in vivo présente l'avantage de sélectionner des propriétés dans un environnement cellulaire, ce qui est utile lorsque la protéine ou l'ARN évolué doit être utilisé dans des organismes vivants.
Q : Quels sont les avantages de l'évolution dirigée in vitro ?
R : L'évolution dirigée in vitro présente l'avantage de permettre plus de conditions (par exemple, la température, les solvants) et d'exprimer des protéines qui seraient toxiques pour les cellules. En outre, elle permet de générer des bibliothèques beaucoup plus importantes car il n'est pas nécessaire d'insérer l'ADN dans les cellules.
Q : Qu'est-ce qui limite ce qui peut être fait au cours d'une expérience in vitro ?
R : La limite de taille de ce qui peut être fait au cours d'une expérience in vitro est souvent déterminée par la quantité d'ADN qui doit être insérée dans les cellules.
