Méthodes de sélection basées sur la survie cellulaire

Les méthodes de sélection basées sur la survie cellulaire présentent l’avantage de mettre en évidence les caractéristiques de l’enzyme recherchée in vivo sans avoir à analyser le contenu cellulaire. En effet, l’enzyme d’intérêt doit conférer à la cellule hôte une propriété essentielle à sa survie et permet ainsi d’éliminer tous les clones exprimant les enzymes ne présentant pas les propriétés recherchées.

Ces méthodes permettent de tester de façon rapide et efficace des bibliothèques allant de 10⁸ à 10¹⁰ clones alors que les tests de criblage se limitent à 10⁵ clones. Cependant, la mise au point de ces méthodes de sélection est délicate puisqu’il faut relier de façon spécifique l’activité enzymatique recherchée et la survie de la cellule hôte. Dans certains cas, des voies métaboliques non désirées et non envisagées au départ peuvent conduire à la survie cellulaire sans requérir le concours de l’enzyme recherchée³⁴.

3.2.1. Sélection basée sur l’utilisation d’un élément essentiel ou toxique pour la cellule hôte

Dans ce type de méthode, un élément essentiel ou toxique (ou un précurseur) est introduit dans le milieu de culture de la cellule hôte.

3.2.1.1. Sélection basée sur une complémentation métabolique ou un gain de fonction métabolique

Cette stratégie est basée sur l’auxotrophie de la cellule hôte, c’est-à-dire l’incapacité d’un organisme à synthétiser un métabolite indispensable à sa survie. La construction de souches auxotrophes pour un composé (acide aminé, source de carbone, …) peut être réalisée par la suppression de certaines voies métaboliques au sein de la cellule hôte : une ou plusieurs enzymes impliquées dans la biosynthèse de ce composé sont inactivées par délétion ou mutation des gènes correspondants. Les cellules auxotrophes ainsi obtenues seront utilisées pour le clonage des gènes mutés et l’expression des enzymes mutées correspondantes. Les cellules seront ensuite utilisées pour sélectionner les enzymes mutées.

Dans certains cas, un précurseur du composé nécessaire à la survie de l’organisme auxotrophe est introduit dans un milieu de culture minimum. L’enzyme mutée recherchée doit alors être spécifique de la transformation du précurseur en ce composé essentiel. Seules les cellules exprimant l’enzyme mutée recherchée sont capables de se développer (Figure 18).

comp osé nécessaire à la survie précurseur introduit dans le milieu de culture minimum

enzyme d'intérêt

croissance cel lul e auxotrophe

Figure 18 : sélection basée sur l’auxotrophie

Une telle stratégie a été développée dans le but de sélectionner des L-rhamnulose-1-phosphate aldolases mutées (RhaD) capable d’accepter le L-rhamnulose à la place du rhamnulose-1-P comme substrat (Figure 19).

L-rhamnose

L-rhamnose L-rhamnulose L-rhamnulose-1-P

L-lactaldéhyde + DHA L-lactaldéhyde + DHAP Glycolyse Cycle de Krebs Rhamnose isomérase Rhamnulose kinase RhaD RhaD mutée E. coli 43

Dans ce cas, une auxotrophie a été générée par suppression des gènes de la cellule hôte (E. coli) codant pour deux enzymes, la rhamnulose kinase et la RhaD. Ces enzymes conditionnent la transformation de l’isomère du rhamnose, le rhamnulose, en L-lactaldéhyde et en dihydroxyacétone intermédiaires clés de la glycolyse et du cycle de Krebs, sans lesquels les cellules hôtes ne peuvent se développer. La source de carbone utilisée étant le L-rhamnose, la croissance des clones exprimant les RhaD mutées est donc conditionnée par leur aptitude à convertir le L-rhamnulose en L-lactaldéhyde et en dihydroxyacétone⁴³.

Un autre test basé sur l’auxotrophie a permis de sélectionner une lipase A de Bacillus subtilis dont l’énantiosélectivité a été inversée. Des cellules auxotrophes pour l’acide aspartique sont utilisées en présence de l’ester de configuration R (IPG) de l’acide L-aspartique comme substrat de la lipase. Ainsi, seuls les clones exprimant une lipase A mutée présentant l’énantiosélectivité recherchée pourront compenser leur auxotrophie par hydrolyse de l’ester en acide L-aspartique⁴⁴ (Figure 20).

Figure 20 : Test de sélection pour l'inversion d'énantiosélectivité de la lipase A

3.2.1.2. Apport d’un élément toxique

Une autre approche consiste à utiliser un composé qui normalement est toxique pour la cellule hôte. Si ce composé peut être transformé en un composé non toxique par l’enzyme mutée recherchée, seuls les clones exprimant cette enzyme pourront survivre.

Cette démarche a été utilisée pour sélectionner des L-thréonine aldolases mutées ayant une activité catalytique plus efficace que l’enzyme sauvage. Cette enzyme catalyse une réaction d’aldolisation entre l’acétaldéhyde et la glycine. Les clones exprimant les enzymes mutés sont sélectionnés en présence d’acétaldéhyde (toxique pour la cellule hôte) et de glycine. Seuls les clones exprimant des aldolases ayant une activité capable de transformer une quantité suffisante d’acétaldéhyde pour rendre le milieu non toxique seront sélectionnés⁴⁵.

Les deux approches (auxotrophie et toxicité) peuvent également être combinées. Un test de sélection permettant de déterminer l’énantiosélectivité des lipases a été développé en utilisant comme source de carbone un mélange de deux esters de configurations opposées :

comme source de carbone par la cellule et l’hydrolyse de l’ester de configuration (R) conduisant à la production d’acide fluoroacétique, composé toxique pour la cellule. Une double sélection est ainsi mise en place et permet de favoriser la survie des clones exprimant une lipase énantiosélective envers les esters de configuration (S) ⁴⁶ (Figure 21).

Figure 21 :"Double" sélection pour l'énantiosélectivité des lipases

3.2.1.3. Complémentation chimique

La complémentation chimique est une technique qui fait appel aux principes du criblage et de la sélection. Elle est basée sur l’utilisation d’un système dit « triple hybride » (yeast three-hybrid system) au sein de souches de S. cerevisiae⁴⁷. Développé à l’origine pour étudier les interactions de type ligand-récepteur, ce système repose sur l’activation d’un gène rapporteur de la cellule hôte par un facteur de transcription artificiel constitué de deux protéines de fusion (issues de la fusion entre un récepteur (RA ou RB) avec respectivement un domaine de liaison à l’ADN ou un domaine d’activation) et d’une molécule hétérodimérique A-B permettant d’établir un pont entre ces deux protéines (Figure 22). Les protéines de fusion sont exprimées par la cellule hôte, tandis que la « molécule-pont » doit être introduite dans le milieu de culture.

Figure 22 : Principe du système "triple hybride"

(R_A = récepteur de la molécule A ; R_B = récepteur de la molécule B)

Ce système a été exploité pour la mise en évidence d’activités enzymatiques. En effet, une première étude a été effectuée avec la céphalosporine⁴⁸ (enzyme de type β-lactamases). La « molécule-pont » utilisée comporte les composés Dex et Mtx liés par un motif de type

céphalosporine comme espacer. Une activité céphalosporinase provoque l’ouverture du cycle

β-lactame qui entraîne une rupture de la liaison avec le Mtx (Figure 23)

Figure 23 : Test par complémentation chimique pour l'activité céphalosporinase

La libération du facteur de transcription artificiel conduit à une inactivation du gène rapporteur lacZ (codant pour la β-galactosidase). Ainsi, en présence de X-Gal (substrat chromogène de la β-galactosidase), seuls les clones exprimant une céphalosporinase active ne seront pas colorés (Figure 22).

Le développement de tests de sélection par complémentation chimique peut aussi impliquer un gène rapporteur essentiel ou toxique pour la cellule hôte. Ce principe a été utilisé pour sélectionner des enzymes telles que la glycosynthase⁴⁹ et la cellulase⁵⁰.

Les tests de sélection basés sur la complémentation chimique peuvent être généralisés pour détecter l’activité de nombreuses enzymes en adaptant la « molécule-pont » et de plus une grande variété de gènes rapporteurs peut être utilisée. Cependant, cette stratégie concerne uniquement des enzymes qui catalysent la dimérisation ou le clivage du facteur de transcription.