Les cinq défis que nous pourrions résoudre en concevant de nouvelles protéines

Les protéines sont des machines moléculaires remarquables : elles digèrent votre nourriture, elles font marcher vos neurones, alimentent votre système immunitaire et bien plus encore. Et si nous pouvions en concevoir de nouvelles, avec des fonctions inédites à l'état naturel ? Dans cet incroyable aperçu de l'avenir, David Baker nous explique comment son équipe de l'Institute for Protein Design crée des protéines entièrement nouvelles à partir de zéro – et nous montre comment elles pourraient nous aider à relever cinq défis majeurs auxquels l'humanité est confrontée. (Cette idée ambitieuse fait partie de l'initiative de TED « The Audacious Project » destinée à promouvoir et financer le changement à l'échelle mondiale.)

Je vais vous parler des machines
les plus incroyables au monde

et de ce que nous pouvons en faire.

Les protéines,

que vous voyez dans cette cellule,

remplissent l'essentiel
des fonctions majeures de notre organisme.

Elles assimilent notre nourriture,

elles contractent nos muscles

elles font marcher nos neurones

et alimentent notre système immunitaire.

Tous les phénomènes biologiques –

presque tous –

sont créés par les protéines.

Les protéines sont des chaînes linéaires
de composants appelés acides aminés.

La nature utilise un alphabet
de 20 acides aminés,

dont certains noms
vous sont peut-être familiers.

Sur cette image à l'échelle,
chaque boule est un atome.

Les forces chimiques entre acides aminées
créent ces longues molécules filiformes

qui se replient en des structures
tridimensionnelles sans pareil.

Le phénomène de repliement,

qui peut sembler aléatoire,

est en fait très précis.

Chaque protéine se replie à chaque fois
dans sa forme caractéristique

et le phénomène de repliement
prend tout juste une fraction de seconde.

C'est la forme des protéines

qui leur permet de développer
leurs remarquables fonctions biologiques.

Par exemple,

l'hémoglobine a une forme
idéalement adaptée aux poumons

pour transporter une molécule d'oxygène.

Quand l'hémoglobine
se déplace vers le muscle,

sa forme change légèrement

et l'oxygène ressort.

Les formes des protéines

et donc leurs remarquables fonctions,

sont entièrement décrites dans la séquence
d'acides aminés de la chaîne de protéines.

Sur cette image, les lettres du dessus
représentent chacune un acide aminé.

D'où viennent ces séquences ?

Les gènes dans votre génome déterminent
les séquences d'acides aminés

de vos protéines.

Chaque gène code la séquence
d'acides aminés d'une seule protéine.

La traduction entre
ces séquences d'acides aminés

et les structures et
fonctions des protéines

est appelé le problème
de repliement des protéines.

C'est un problème très complexe

car une protéine peut adopter
tellement de formes différentes.

En raison de cette complexité,

les humains n'ont pu exploiter
le potentiel des protéines

qu'en apportant d'infimes changements
aux séquences d'acides aminés

des protéines à l'état naturel.

C'est similaire au procédé utilisé
par nos ancêtres de l'âge de pierre

pour fabriquer les outils
en bois et en pierre

que nous avons trouvés
dans le monde entier.

Mais les humains n'ont pas appris
à voler en modifiant des oiseaux.

(Rires)

Grâce aux oiseaux, les scientifiques ont
découvert les principes aérodynamiques.

Les ingénieurs les ont ensuite utilisés
pour concevoir des machines volantes.

De la même manière,

nous travaillons depuis plusieurs années

pour découvrir les principes fondamentaux
du repliement des protéines

et intégrer ces principes dans Rosetta,
un programme informatique.

Nous avons beaucoup avancé
ces dernières années.

Nous pouvons désormais concevoir des
protéines à partir de zéro sur ordinateur.

Une fois la nouvelle protéine créée,

nous codons sa séquence d'acides aminés
dans un gène synthétique.

Nous devons créer un gène synthétique

car, comme la protéine est
complétement nouvelle,

aucun gène d'un organisme existant
ne peut le coder.

Nos progrès dans la compréhension
du repliement des protéines

et dans la façon de les concevoir,

associés à la diminution du coût
de la synthèse de gènes

et à l'augmentation de la puissance
de calcul selon la loi de Moore,

nous permettent désormais de concevoir
des milliers de nouvelles protéines,

avec de nouvelles formes,
de nouvelles fonctions,

par ordinateur,

et de coder chacune d'elles
dans un gène synthétique.

Une fois que nous avons
ces gènes synthétiques,

nous les mettons dans des bactéries

pour les programmer afin de fabriquer
ces toutes nouvelles protéines.

On extrait ensuite les protéines

et on voit si elles fonctionnent
comme nous les avons conçues

et si elles sont sûres.

C'est super de pouvoir
produire de nouvelles protéines,

car malgré la diversité de la nature,

l'évolution n'a montré qu'une infime part
de toutes les protéines possibles.

Je vous ai dit que la nature utilise
un alphabet de 20 acides aminés,

une protéine type est une chaîne
d'une centaine d'acides aminés,

le nombre total de possibilités est donc
20 fois 20 fois 20, multiplié par 100,

ce qui est un nombre de l'ordre
de 10 à la puissance 130

C'est énormément plus
que le nombre total de protéines

qui ont existé depuis
le début de la vie sur Terre.

C'est cet espace incroyablement grand

que nous pouvons désormais explorer grâce
à la conception informatique de protéines.

Les protéines qui existent sur Terre

ont évolué pour répondre aux problèmes
rencontrés par l'évolution naturelle.

Par exemple, en répliquant le génome.

Mais nous rencontrons
de nouveaux défis aujourd'hui.

Nous vivons plus vieux,
de nouvelles maladies sont importantes.

Nous réchauffons et polluons la planète,

nous faisons donc face à
une multitude de défis écologiques.

Si on pouvait attendre
un million d'années,

de nouvelles protéines pourraient évoluer
pour répondre à ces défis.

Mais on ne peut pas attendre
des millions d'années.

A la place, grâce à la conception
informatique de protéines,

on peut concevoir de nouvelles protéines
pour relever ces défis dès aujourd'hui.

Notre idée audacieuse est de faire sortir
la biologie de l'âge de pierre

grâce à la révolution technologique
dans la conception des protéines.

On a déjà montré qu'on pouvait
concevoir de nouvelles protéines

avec de nouvelles formes et fonctions.

Par exemple, les vaccins agissent
en stimulant le système immunitaire

pour qu'il réagisse fortement
contre un agent pathogène.

Pour créer de meilleurs vaccins,

nous avons conçu
des particules de protéines

auxquelles nous pouvons fusionner
des protéines d'agents pathogènes,

comme cette protéine bleue ici,
du virus respiratoire syncytial ou VRS.

Pour fabriquer des vaccins potentiels

qui grouillent littéralement
de protéines virales,

nous constatons que ces vaccins potentiels

produisent une réponse immunitaire
beaucoup plus forte au virus

que tous les vaccins qui ont été
testés jusqu'à présent.

C'est important car le VRS est
actuellement l'une des principales causes

de la mortalité infantile dans le monde.

On a aussi conçu de nouvelles protéines
pour décomposer le gluten dans l'estomac

pour la maladie cœliaque

et d'autres protéines pour stimuler
le système immunitaire face au cancer.

Ces avancées sont le début de la
révolution de la conception des protéines.

Nous avons été inspirés par
une précédente révolution technologique :

la révolution numérique,

qui a pris place en grande partie grâce
aux progrès réalisés au même endroit,

les laboratoires Bell.

Les laboratoires Bell avaient
un environnement ouvert, collaboratif

et ont été en mesure d'attirer
les meilleurs talents du monde entier.

Ce qui a conduit à
une remarquable série d'innovations –

le transistor, le laser,
la communication par satellite

et les bases d'Internet.

Nous voulons bâtir les laboratoires Bell
de la conception de protéines.

Nous cherchons à attirer des scientifiques
talentueux du monde entier

pour accélérer la révolution
de la conception de protéines

et nous nous concentrerons
sur cinq grands défis.

Premièrement, en prenant des souches
de grippe du monde entier

et en les plaçant sur
des particules de protéines conçues

comme je vous ai montré plus tôt,

nous avons l'intention de fabriquer
un vaccin universel contre la grippe,

dont une injection donne
une protection à vie contre la grippe.

La capacité de concevoir –

(Applaudissements)

La capacité de concevoir
de nouveaux vaccins par ordinateur

est importante à la fois pour se protéger
des épidémies naturelles de grippe

et également contre
des actes intentionnels de bioterrorisme.

Deuxièmement, nous allons bien au-delà
de l'alphabet limité de la nature

de seulement 20 acides aminés

pour concevoir de nouveaux traitements
à des maladies comme la douleur chronique,

en utilisant un alphabet
de milliers d'acides aminés.

Troisièmement, nous construisons
des vecteurs avancés d'administration

pour cibler les médicaments vers
leur destination précise dans le corps.

Par exemple, la chimiothérapie
sur une tumeur

ou les thérapies géniques des tissus là où
la réparation de l'ADN doit avoir lieu.

Quatrièmement, nous créons des thérapies
intelligentes s'adaptant dans le corps

pour aller bien au-delà
des traitements actuels,

qui sont vraiment des outils émoussés.

Par exemple, pour cibler un petit
sous-ensemble de cellules immunitaires

responsables d'une maladie auto-immune,

et pour le distinguer de la vaste majorité
des cellules immunitaires saines.

Enfin, inspirés par
de remarquables matériaux biologiques

comme la soie, la coquille d'ormeau,
la dent et bien d'autres,

nous concevons de nouveaux matériaux
à base de protéines

afin de relever les défis
énergétiques et écologiques.

Pour accomplir tout cela,
nous développons notre institut.

Nous souhaitons attirer des scientifiques
dynamiques, talentueux et variés

du monde entier,
à toutes les étapes de leur carrière,

pour qu'ils nous rejoignent.

Vous pouvez aussi participer à la
révolution de la conception des protéines

grâce à Foldit, notre jeu de pliage
et de conception en ligne.

Ainsi qu'à travers Rosetta@home,
notre projet informatique distribué,

que vous pouvez rejoindre depuis
un ordinateur ou un smartphone Android.

Améliorer le monde grâce à la conception
de protéines est l’œuvre de ma vie.

Je suis si impatient de
ce que nous pouvons faire ensemble.

J'espère que vous vous joindrez à nous

et je vous remercie.

(Applaudissements et acclamations)