Comment la conception de nouvelles enzymes pourrait changer le monde

« Si l'ADN est le modèle de la vie, les enzymes sont les ouvriers qui en exécutent les instructions », explique le biochimiste Adam Garske. Dans cet exposé et cette démonstration amusants, il montre comment les scientifiques peuvent désormais éditer et concevoir des enzymes pour des fonctions spécifiques comme aider à traiter des maladies comme le diabète, créer des détergents à faible consommation d'énergie et même capturer les gaz à effet de serre, et réalise une expérience sur les enzymes sur la scène.

J'ai grandi dans le Wisconsin,
je passais beaucoup de temps dehors.

Au printemps, je sentais
le parfum enivrant des lilas.

En été, j'aimais
les points lumineux des lucioles

qui virevoltaient lors des nuits humides.

En automne, les marais débordaient
de canneberges rouge vif.

Même l'hiver avait ses charmes,

avec ses pins aux bouquets
qui évoquent Noël.

Pour moi, la nature a toujours été
source d'émerveillement et d'inspiration.

Lors de mes études supérieures
en chimie et par la suite,

j'ai mieux compris l'environnement
naturel au niveau moléculaire.

Tout ce que je viens de mentionner,

depuis le parfum des lilas et des pins

au rouge vif des canneberges
et aux lueurs des lucioles,

a au moins quelque chose en commun :

c'est fabriqué par des enzymes.

J'ai grandi dans le Wisconsin,
donc j'aime le fromage

et l'équipe de foot
des Green Bay Packers.

Mais parlons de fromage.

Depuis au moins 7 000 ans,

les humains ont extrait
un mélange d'enzymes

de l'estomac des vaches,
des brebis et des chèvres

et l'ont ajouté au lait
pour faire du fromage ;

cela fait cailler le lait.

L'enzyme clé de ce mélange
est la chymosine.

Je vais vous montrer comment ça marche.

Ici, j'ai deux tubes.

Je vais ajouter de la chymosine
dans l'un d'eux.

Attendez une seconde.

Mon fils, Anthony, qui a huit ans,

voulait absolument m'aider à trouver
une démo pour ma présentation.

Nous étions dans la cuisine
à découper des ananas,

à extraire des enzymes
de pommes de terre rouges

et à faire toutes sortes de démos.

Enfin, nous avons choisi

la démo très cool de la chymosine.

Voici ce qu'il se passe :

la chymosine nage dans le lait

et se lie à une protéine appelée caséine.

Elle coupe alors la caséine,

comme des ciseaux moléculaires.

Cette action de couper
fait cailler le lait.

Nous voici donc
dans la cuisine, à y travailler.

OK.

Laissez-moi mélanger cela.

Ensuite nous allons les mettre de côté,
à mijoter pendant une minute.

OK.

Si l'ADN est le modèle de la vie,

les enzymes sont les ouvriers
qui exécutent ses instructions.

Une enzyme est une protéine qui catalyse,

accélère un processus ou accélère
une réaction chimique,

tout comme la chymosine ici
accélère le caillage du lait.

Il ne s'agit pas que du fromage.

Si les enzymes jouent un rôle important
dans nos aliments,

elles sont également impliquées dans tout,
de la santé d'un nourrisson

au combat contre les défis
environnementaux d'aujourd'hui.

Les éléments de base des enzymes
sont appelés acides aminés.

Il y a 20 acides aminés courants

généralement désignés
par une abréviation d'une seule lettre,

et c'est donc un alphabet d'acides aminés.

Dans une enzyme, les acides aminés
sont liés ensemble,

comme les perles d'un collier.

L'identité des acides aminés,
qui est déterminée

par les lettres dans ce collier,

l'ordre des lettres
et ce qu'elles épellent,

donne à l'enzyme ses propriétés uniques
et la différencie des autres enzymes.

Cette chaîne d'acides aminés,

ce collier,

se plie en une structure
d'ordre supérieur.

Si vous zoomez au niveau moléculaire

et regardez la chymosine,
l'enzyme qui est à l'œuvre ici,

elle ressemblerait à ceci -

des brins, des boucles, des hélices,
et des tours et détours

qui doivent être dans cette conformation
pour fonctionner correctement.

On peut maintenant créer
des enzymes dans les microbes,

ce qui donnerait une bactérie
ou une levure, par exemple.

Nous le faisons en prenant
un morceau d'ADN

qui fournit le code de l'enzyme
qui nous intéresse,

nous l'insérons dans le microbe

et nous laissons le microbe
utiliser ses propres moyens

pour produire cette enzyme pour nous.

Donc si vous voulez de la chymosine,
vous n'avez pas besoin d'un veau,

vous pouvez l'obtenir d'un microbe.

Encore plus cool,

on peut composer
des séquences d'ADN personnalisées

et avoir des enzymes spécifiques,

qui ne sont pas dans la nature.

Pour moi, la partie la plus amusante

est d'essayer d'en créer une
pour un emploi nouveau,

en organisant les atomes comme ceci.

Prendre une enzyme de la nature
et jouer avec ses acides aminés,

en bricolant les lettres,

en ajoutant des lettres,
en retirant d'autres,

peut-être en les réorganisant,

c'est un peu comme trouver un livre

et modifier des chapitres
ou changer la fin.

En 2018, le prix Nobel de chimie

a été remis pour cette approche
de développement, l'évolution dirigée.

Aujourd'hui, nous pouvons exploiter
la capacité de l'évolution dirigée

pour créer des enzymes spécifiques,

pour les utiliser
dans de nouveaux domaines,

comme la lessive.

Tout comme les enzymes du corps

aident à décomposer la nourriture
que vous mangez,

celles du détergent de lessive

aident à décomposer
les taches sur vos vêtements.

Il s'avère qu'environ 90% de l'énergie

utilisée pour faire la lessive

sert à chauffer l'eau.

Et ce, pour une bonne raison -

l'eau plus chaude rend
les vêtements propres.

Et si vous étiez capable
de faire la lessive à l'eau froide ?

Vous feriez des économies,

et, en plus,

selon des calculs de Procter and Gamble,

si toutes les familles aux États-Unis
utilisaient l'eau froide,

nous économiserions 32 tonnes
d'émissions de CO2 chaque année.

C'est beaucoup,

c'est presque l'équivalent

du dioxyde de carbone
émis par 6,3 millions de voitures.

Comment fait-on pour créer une enzyme

et réaliser ces changements ?

Les enzymes n'évoluent pas
pour laver la linge sale,

encore moins dans l'eau froide.

Nous pouvons aller dans la nature
et trouver un point de départ.

On trouve une enzyme
ayant une capacité d'activité,

un peu d'argile pour commencer.

Voici un exemple d'une telle enzyme,
ici même sur l'écran.

On peut commencer à jouer
avec ses acides aminés,

en ajoutant des lettres,
en enlevant d'autres,

en les réorganisant.

Et ce faisant, nous pouvons générer
des milliers d'enzymes.

Nous pouvons prendre ces enzymes

et les tester dans des microplaques
comme celles-ci.

Cette microplaque que je tiens ici

contient 96 puits,

et dans chaque puits, il y a
un morceau de tissu avec une tache.

On peut mesurer à quel point chaque enzyme

est capable d'enlever les taches
des morceaux de tissu,

et ainsi voir si ça fonctionne bien.

On peut le faire avec la robotique,

comme vous le verrez sous peu sur l'écran.

OK, on fait ça et il s'avère

que certaines des enzymes
donnent des résultats

comme l'enzyme de départ.

Donc, rien d'impressionnant,

Certaines sont pires, on s'en débarrasse.

Certaines sont meilleures.

Celles qui sont meilleures
deviennent la version 1.0.

On veut poursuivre notre travail
avec ces enzymes

et nous répétons ce cycle plusieurs fois.

C'est en répétant le cycle
que nous arrivons à une nouvelle enzyme,

quelque chose qui fait ce qu'on veut.

Après plusieurs cycles,

on a fini par obtenir du nouveau.

Donc vous pouvez aller au supermarché
et acheter un détergent de lessive

qui permet de laver à l'eau froide
grâce aux enzymes comme celles-ci.

Je veux vous montrer
comment celle-ci fonctionne.

J'ai deux tubes ici,

et c'est encore du lait.

Que je vous montre.

Je vais ajouter cette enzyme dans ce tube

et je vais ajouter de l'eau dans l'autre,

qui sert de témoin,

donc rien ne devrait se passer ici.

Vous pouvez trouver étrange
que je fasse ça avec du lait.

C'est parce que le lait
contient beaucoup de protéines

et c'est très facile voir cette enzyme
à l'œuvre dans une solution de protéines

parce qu'elle coupe les protéines,

c'est son travail.

Donc, laissez-moi mettre ceci ici.

Comme j'ai dit, elle est là
pour couper des protéines.

Vous pouvez donc déduire

ce qu'elle est en train
de faire dans ce lait

et ce qu'elle ferait à votre lessive.

C'est une façon de visualiser
ce qu'il se passerait.

OK, les deux sont là-dedans.

Je vais aussi mélanger un peu cela.

On les laisse reposer
avec l'échantillon de la chymosine,

j'y reviendrai vers la fin.

Quoi de neuf à l'horizon
en termes de création d'enzymes ?

Ce sera certainement plus rapide.

Des approches
pour des enzymes évolutives :

les chercheurs traitent
beaucoup plus d'échantillons

que je viens de vous montrer.

En plus des essais
avec des enzymes naturelles,

des scientifiques essaient
de créer des enzymes à partir de rien,

avec l'apprentissage de la machine,

une approche
de l'intelligence artificielle,

pour concevoir des enzymes.

D'autres encore ajoutent
des acides aminés non naturels au mélange.

On a parlé des 20 acides aminés
naturels, courants,

mais ils ajoutent
des acides aminés non naturels

pour créer des enzymes différentes
de celles que l'on trouve dans la nature.

C'est un domaine plutôt chouette.

Comment les enzymes créées
vous concerneront-elles ?

Je veux me concentrer sur deux domaines :

la santé humaine et l'environnement.

Des sociétés pharmaceutiques

ont maintenant des équipes spécialisées
dans la création des enzymes

pour rendre les médicaments plus efficaces
et avec moins de catalyseurs toxiques.

Januvia, un médicament
pour le diabète de type 2

est créé en partie avec des enzymes.

Le nombre de médicaments créés
avec des enzymes ne va qu'augmenter.

Dans un autre domaine,

il y a certaines maladies

causées par une seule enzyme du corps
qui ne fonctionne pas.

Un exemple est la phénylcétonurie,

ou la PCU.

Les personnes souffrant de PCU

ne peuvent pas métaboliser
ou digérer la phénylalanine,

qui est l'un de 20 acides aminés courants
dont nous avons parlé.

L'ingestion de la phénylalanine
par les personnes atteintes de la PCU

peut entraîner des handicaps
intellectuels permanents.

Donc, c'est effrayant d'avoir ça.

Ceux qui ont des enfants --

qui ici a des enfants ?

Beaucoup d'entre vous.

Vous connaissiez peut-être la PCU,

car tous les enfants en bas âge
aux États-Unis doivent être testés.

Anthony, mon fils, s'est fait piquer
le talon pour le test

Le grand défi de la PCU :
que mangez-vous ?

La phénylalanine est dans tant d'aliments
que c'est difficile à éviter.

Anthony est allergique aux noix
et je pensais que c'était dur,

mais la PCU est d'un autre niveau.

De nouvelles enzymes pourraient
permettre aux patients atteints de PCU

de manger tout ce qu'ils veulent.

Récemment, la FDA a approuvé
une enzyme créée pour traiter la PCU.

Bonne nouvelle pour les patients

et excellente nouvelle

pour le domaine de la thérapie
par remplacement d'enzymes

parce qu'il y a d'autres cibles
où ce serait une bonne approche.

J'ai parlé de la santé.

Passons maintenant à l'environnement.

Le vortex de déchets du Pacifique nord

est cette immense île de plastique,

entre la Californie et Hawaï.

Les microplastiques
sont à peu près partout.

C'est bouleversant.

Les plastiques ne disparaîtront pas.

Mais les enzymes peuvent
nous aider ici aussi.

On a récemment découvert

des bactéries produisant des enzymes
décomposant le plastique.

Des efforts sont en cours
pour perfectionner ces enzymes.

Il y a aussi des enzymes
nouvellement découvertes,

en cours d'optimisation

pour créer des plastiques biodégradables
non dérivés du pétrole.

Les enzymes peuvent aussi aider
dans la capture des gaz à effet de serre,

tels que le dioxyde de carbone,
le méthane et le protoxyde d'azote.

Il n'y a pas de doute
que ce sont des défis majeurs

et aucun n'est facile.

Notre capacité à exploiter les enzymes
peut nous aider à y faire face à l'avenir.

Je pense que c'est
un nouveau domaine à explorer.

Maintenant, je vais retourner à la démo,

c'est la partie amusante.

Voyons les échantillons de la chymosine.

Laissez-moi les mettre ici.

Vous pouvez voir ici,

c'est celui avec l'eau,

donc ce lait n'aurait pas dû changer.

Ici, c'est celui avec de la chymosine.

Vous voyez que tout est
complètement clarifié ici.

Il y a du lait caillé ici,
c'est du fromage.

On vient tout juste de faire du fromage.

Voici donc le procédé

que les gens utilisent depuis
des milliers et des milliers d'années.

Je pense faire ça pour ma prochaine
démo devant des élèves,

mais ils peuvent être difficiles,
alors on verra.

(Rires)

Je veux maintenant regarder celui-ci.

Voici donc l'enzyme
pour faire votre lessive.

Vous pouvez voir que c'est différent
de celle avec de l'eau.

La clarification a eu lieu

et c'est ce qu'il faut
pour une enzyme pour votre lessive

parce que vous voulez avoir une enzyme

capable de dévorer
des protéines, de les digérer,

car vous aurez différentes taches
de protéines sur vos vêtements,

comme le lait au chocolat
ou des taches d'herbe,

et quelque chose comme ça
vous aidera à les enlever.

Ça vous permettra de faire
la lessive à l'eau froide,

réduire votre empreinte de carbone
et faire des économies.

Nous avons fait un long chemin,

un voyage de 7 000 ans, à partir d'enzymes
pour la fabrication du fromage

jusqu'à présent et la création d'enzymes.

Nous sommes à un carrefour créatif,

nous pouvons modifier ce que la nature
a écrit avec des enzymes

ou écrire nos histoires
avec des acides aminés.

La prochaine fois que vous êtes dehors
lors d'une nuit humide

et voyez une luciole,

vous penserez aux enzymes.

Elles font des choses
extraordinaires pour nous.

Grâce à notre conception,

elles pourraient faire des choses
plus étonnantes.

Merci.

(Applaudissements)