GlycoSHIELD transforme la manière dont les chaînes de sucre sur les protéines sont modélisées, facilitant le développement de médicaments avec son algorithme rapide, convivial et économe en énergie, marquant une avancée significative à la fois dans l’informatique verte et la recherche médicale. Modèle du bouclier de sucre (vert) sur le récepteur GABAA (gris) dans une membrane (rouge) généré par GlycoSHIELD. Crédit: Cyril Hanus, Inserm, Université Paris-Cité
Des scientifiques créent une technique innovante pour prédire rapidement la morphologie des couches de sucre sur des protéines cliniquement pertinentes.
Les protéines jouent des rôles essentiels dans la survie cellulaire et ont un impact significatif sur le développement et la progression des maladies. Pour comprendre leur fonction dans la santé et la maladie, les scientifiques étudient les configurations atomiques tridimensionnelles des protéines à l’aide de techniques expérimentales et computationnelles.
Plus de 75% des protéines présentes à la surface de nos cellules sont couvertes de glycanes. Ces molécules de type sucre forment des boucliers protecteurs très dynamiques autour des protéines. Toutefois, la mobilité et la variabilité des sucres rendent difficile de déterminer comment ces boucliers se comportent, ou comment ils influencent la liaison de molécules médicamenteuses.
Mateusz Sikora, chef de projet et responsable du Centre Dioscuri pour la Modélisation des Modifications Post-Traductionnelles, et son équipe à Cracovie ainsi que des partenaires de l’Institut Max Planck de Biophysique à Francfort-sur-le-Main, en Allemagne, ont relevé ce défi en utilisant des ordinateurs, en collaborant avec des scientifiques de l’Inserm à Paris, de l’Academia Sinica à Tapei et de l’Université de Brême. Leur nouvel algorithme puissant, GlycoSHIELD, permet une modélisation rapide mais réaliste des chaînes de sucre présentes à la surface des protéines. Réduisant de plusieurs ordres de grandeur les heures de calcul et donc la consommation d’énergie par rapport aux outils de simulation conventionnels, GlycoSHIELD ouvre la voie à l’informatique verte.
De milliers d’heures à quelques minutes
Les boucliers glycaniques protecteurs influencent fortement la manière dont les protéines interagissent avec d’autres molécules telles que les médicaments thérapeutiques. Par exemple, la couche de sucre sur la protéine de pointe du coronavirus cache le virus au système immunitaire en rendant difficile la reconnaissance du virus par des anticorps naturels ou provoqués par le vaccin. Les boucliers de sucre jouent donc un rôle important dans le développement de médicaments et de vaccins. La recherche pharmaceutique pourrait bénéficier de la prédiction routinière de leur morphologie et de leur dynamique. Jusqu’à présent, cependant, prévoir la structure des couches de sucre à l’aide de simulations informatiques n’était possible qu’avec des connaissances expertes sur des supercalculateurs spéciaux. Dans de nombreux cas, des milliers, voire des millions d’heures de calcul étaient nécessaires.
Avec GlycoSHIELD, l’équipe de Sikora propose une alternative rapide, respectueuse de l’environnement et open-source. « Notre approche réduit les ressources, le temps de calcul et l’expertise technique nécessaires », explique Sikora. « Tout le monde peut maintenant calculer l’arrangement et la dynamique des molécules de sucre sur les protéines sur son ordinateur personnel en quelques minutes, sans avoir besoin de connaissances expertes et de supercalculateurs. De plus, cette nouvelle méthode de calcul est très économe en énergie. » Le logiciel peut non seulement être utilisé en recherche, mais pourrait également être utile pour le développement de médicaments ou de vaccins, par exemple en immunothérapie contre le cancer.
Un puzzle de sucre
Comment l’équipe a-t-elle réussi à obtenir un tel gain d’efficacité? Les auteurs ont créé et analysé une bibliothèque de milliers de postures 3D les plus probables des formes les plus courantes des chaînes de sucre sur les protéines retrouvées chez les humains et les micro-organismes. En utilisant de longues simulations et des expériences, ils ont découvert que pour une prédiction fiable des boucliers glycaniques, il suffit que les sucres attachés ne entrent pas en collision avec les membranes ou les parties de la protéine.
L’algorithme est basé sur ces découvertes. « Les utilisateurs de GlyoSHIELD n’ont qu’à spécifier la protéine et les emplacements où les sucres sont attachés. Notre logiciel les assemble ensuite sur la surface de la protéine dans l’arrangement le plus probable », explique Sikora. « Nous avons pu reproduire avec précision les boucliers de sucre de la protéine de pointe : ils ressemblent exactement à ce que nous observons dans les expériences ! » Avec GlycoSHIELD, il est désormais possible de compléter les nouvelles structures de protéines ainsi que les structures existantes avec des informations sur les sucres. Les scientifiques ont également utilisé GlycoSHIELD pour révéler le motif des sucres sur le récepteur GABAA, une cible importante pour les sédatifs et les anesthésiques.
Un succès pour le Centre Dioscuri
Les Centres Dioscuri initiés par la Société Max Planck ont pour objectif de renforcer et d’étendre la recherche excellente en Europe centrale et orientale. Depuis mai 2023, Mateusz Sikora, autrefois chercheur postdoctoral à l’Institut Max Planck de Biophysique, reçoit un soutien financier dans le cadre du programme financé bilatéralement en tant que responsable du Centre Dioscuri pour la Modélisation des Modifications Post-Traductionnelles créé à l’Université Jagellonne de Cracovie, en Pologne.
Gerhard Hummer, responsable du département de biophysique théorique à l’Institut Max Planck de Biophysique, le soutient en tant que partenaire depuis l’Allemagne et a également contribué à ce travail. En moins d’un an, Sikora a déjà remporté un grand succès avec son algorithme vert et contribue à promouvoir la Pologne en tant que lieu de recherche attractif et compétitif.