Des scientifiques de l'Institut de chimie organique et de biochimie de l'Université technique de Darmstadt, dirigés par le Prof. Kolmar, ont développé un nouveau procédé permettant d'isoler très rapidement des enzymes sur mesure pour une utilisation en biotechnologie et d'accélérer ainsi d'un facteur mille la synthèse de substances actives.
Les bactéries sont utilisées depuis des années comme producteurs d'enzymes. Pour obtenir des enzymes optimisées, les principes fondamentaux de l'évolution, à savoir la mutation et la sélection, sont exploités. "Nous introduisons des mutations de façon aléatoire dans les gènes codant pour les enzymes, faisons produire les variants d'enzymes ainsi générés par les bactéries Escherichia coli et cherchons ensuite les bactéries avec les propriétés enzymatiques améliorées recherchées", explique le Prof. Kolmar.
Ceci constitue pour l'instant un processus long et laborieux. Pour accéder aux enzymes candidates, les microorganismes doivent être détruits. "Nous avons utilisé une astuce génétique et reprogrammé les bactéries génétiquement de telle manière que l'enzyme choisie ne soit plus produite à l'intérieur de la cellule mais à l'extérieur, à la surface de la cellule ; Nous pouvons ainsi directement utiliser les cellules vivantes pour un test enzymatique", précise le Prof. Kolmar.
Les chercheurs ont pu aller encore plus loin dans l'optimisation de la recherche d'enzymes aux propriétés adaptées en parvenant à analyser l'activité enzymatique de bactéries isolées. En collaboration avec des collègues du Centre de recherche Jülich et de l'Institut Max Planck de recherche sur le charbon, ils ont mis au point une méthode permettant la reconnaissance rapide des bactéries produisant l'enzyme désirée. Ils ont synthétisé pour cela des substrats enzymatiques pouvant être marqués par un colorant fluorescent. Si l'enzyme est capable de transformer le substrat, le produit de la réaction est lui aussi fixé à la surface de la bactérie présentant l'activité enzymatique. Ces dernières peuvent être ainsi différenciées des cellules inactives car elles portent un marqueur fluorescent.
"Pour accéder à ces précieuses bactéries, qui contiennent l'enzyme recherchée, nous utilisons un appareil de tri à grande vitesse", commente le Prof. Kolmar. Les bactéries sont introduites dans de l'eau et projetées à l'aide d'un pulvérisateur. Les gouttes d'eau renfermant une bactérie passent devant un faisceau laser de forte puissance. Si une bactérie fluorescente se trouve dans la goutte, elle émet des photons, ce qui prouve son activité enzymatique. Ces bactéries sont alors chargées électrostatiquement, détournées de leur trajectoire et collectées. "Nous appelons ce procédé le principe de Cendrillon [qui trie des lentilles, aidée par des pigeons] : "les bonnes dans le petit pot, les mauvaises dans votre jabot". Toutefois nous sommes nettement plus rapides que les pigeons de Cendrillon. 100.000 bactéries et donc 100.000 enzymes candidates peuvent être analysées en une seconde. En une journée de travail, ce sont donc jusqu'à 100 millions d'enzymes qui peuvent être examinées. Les méthodes utilisées jusqu'ici ne pouvaient traiter que quelques milliers à quelques dizaines de milliers de candidats", selon le Prof. Kolmar.
La première application de la méthode par les chercheurs de Darmstadt a concerné une enzyme clivant des esters. Une seule session de tri à grande vitesse sur 100 millions de bactéries a permis d'isoler les variants d'enzymes recherchés.
