Évolution dirigée
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L’évolution dirigée est un ensemble de technologies qui s’inspirent des mécanismes de base de l'évolution darwinienne pour améliorer une protéine (ou un acide nucléique).
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[modifier] Principe
Typiquement, une expérience d’évolution dirigée comporte deux étapes.
[modifier] Une première étape de création d’une diversité génétique
Une banque de variants du gène codant la protéine d’intérêt est créée :
- en partant du gène initial, par mutagenèse aléatoire (en général : par PCR mutagène) ou par mutagenèse dirigée (en particulier : mutagenèse à saturation)
- en recombinant différentes séquences (recombinaison génétique in vitro par DNA Shuffling ou « PCR sexuelle »)
- en collectant des séquences naturelles sans faire pousser les microorganismes correspondant (metagenome)
- directement par synthèse de gènes avec dégénérescence.
[modifier] Une deuxième étape de criblage ou de sélection
Les gènes de la banque sont triés sur la base de la fonction de la protéine qu’ils codent :
- Soit un par un, par criblage ou criblage haut-débit (high-thoughput screening, HTS) : chaque protéine est testée individuellement, si le test est jugé positif, on garde le gène correspondant. En utilisant des microplaques à 96 puits très classiques, des débits de l’ordre de 10 000 mutants par jour sont accessibles. Grâce à des dispositifs plus miniaturisés et en automatisant le procédé, on peut atteindre des millions de mutants par jour.
- Soit en masse, tous en même temps, par sélection : toutes les protéines sont testées en même temps et, lorsque les test sont positifs, les gène correspondants sont automatiquement sélectionnés. La sélection suppose un lien entre chaque génotype (variant de gène) et chaque phénotype (protéine). Ce lien peut être une liaison chimique (par exemple : ribosome display) ou la coexistence dans un même compartiment (compartimentation in vivo dans des cellules ou compartimentation in vitro, par exemple dans les gouttelettes aqueuses d’émulsions).
[modifier] Un processus itératif
La génération de molécules obtenues à l'issue de la deuxième étape peut elle-même subir des mutations ou des recombinaisons et les deux étapes décrites précédemment sont donc fréquemment itérées sous forme de cycle.
[modifier] Evolution dirigée vs conception rationnelle
En général, l’évolution dirigée est une méthode stochastique qui fait peu, voir aucune hypothèse sur le fonctionnement de la protéine qu’on souhaite améliorer. Elle s’oppose ainsi à un autre domaine du génie protéique, la conception rationnelle (rational design), qui s’appuie sur la structure tridimensionnelle de la protéine pour introduire des mutations ciblées. La frontière entre ces deux domaines tend aujourd’hui à s’effacer et des méthodes semi-rationnelles se développent qui permettent d’intégrer des connaissances sur les protéines dans des algorithmes non déterministes.
[modifier] Applications
L’évolution dirigée a permis de créer des protéines utilisées dans de nombreux domaines : anticorps pour le diagnostic ou la chimie analytique, protéines thérapeutiques, enzymes pour la biologie moléculaire, l’industrie ou la biocatalyse.
[modifier] Intérêt fondamental
D’un point de vue plus théorique, faire évoluer des molécules en laboratoire permet en outre de tester certaines hypothèses sur les mécanismes de l’évolution au niveau moléculaire.
Appliquée à des acides nucléiques, l’évolution dirigée a permis de créer des acides nucléiques aux fonctionnalités inédites et permet notamment d’envisager à terme la création de molécules d’ARN capables de s’auto-répliquer, ce qui ouvrirait une voie vers un modèle de soupe biomoléculaire primitive (monde à ARN).
[modifier] Quelques laboratoires importants du domaine
- Frances H. Arnold (Caltech) [1]
- Andreas Pluckthun (Zurich) [2]
- Virginia Cornish (Columbia) [3]
- Gerald F. Joyce (Scripps) [4]
- Philipp Holliger (Cambridge) [5]
- Andrew Griffiths (Strasbourg) [6]
