Brevet FR2799988A1 — publié le 20010427

L'invention concerne un procédé de séparation d'un composé chimique ou biologique présent dans un mélange de composés similaires, par diffusion dans un milieu approprié tel qu'un gel. Les méthodes connues de séparation d'un composé présent dans un mélange comprennent en général l'application d'une réaction chimique (au sens large) et/ou d'un ensemble de forces extérieures au mélange de composés. Par exemple, les chromatographies d'affinité permettent d'extraire d'un mélange les molécules les plus retenues ou les molécules les moins retenues vis-à-vis des sites d'interaction liés au support chromotographique, car ces molécules occupent des positions privilégiées, en tête et en queue d'élution. Toutefois, notamment quand le mélange contient une dizaine ou plus de composés similaires, il est difficile d'isoler des composés à affinité intermédiaire, très difficile d'isoler des composés à affinité quantitativement définie, et impossible de séparer des composés dont les affinités seraient identiques, mais qui auraient des constantes cinétiques d'interaction distinctes. Le problème de la séparation de composés présents dans un mélange et ayant des constantes cinétiques d'interaction pour une cible donnée qui sont arbitrairement définies par un opérateur, se pose notamment dans le cadre du développement de nouveaux traitements thérapeutiques reposant sur l'optimisation de l'interaction de molécules avec des cibles d'intérêt biologique convenablement choisies (séquences génomiques, protéines, ... et dans le domaine de la chimie combinatoire, où les molécules testées sont souvent obtenues sous la forme de "mélanges contrâlésIl de molécules similaires. La présente invention a notamment pour but d'apporter à ce problème une solution simple, efficace et relativement facile à mettre en #uvre. Elle propose à cet effet un procédé de séparation d'un composé chimique ou biologique dans un mélange de composés similaires, par diffusion dans un milieu tel qu'un gel, ce procédé comprenant une étape d'introduction du mélange de composés dans le milieu, caractérisé en ce qu'il consiste : - à utiliser un milieu contenant un composant P qui réagit avec les composes Ci du mélange pour donner des produits Qi, les réactions Ci + P --> Qi étant réversibles et ayant des constantes cinétiques kj,i dans le sens de l'obtention des produits Qi et k2,i dans le sens inverse, et - les composés Ci ayant une charge électrique, à appliquer un champ électrique variant périodiquement dans le temps au milieu contenant ledit mélange de composés Ci, la période du champ électrique et la concentration du composant P dans le milieu étant déterminées en fonction des constantes cinétiques kl, k2 du composé C à séparer pour établir des conditions de résonance entre les réactions précitées et le champ électrique, pour lesquelles le coefficient de diffusion apparent du composé C dans le milieu est à une valeur maximale. Selon l'invention, la connaissance des constantes cinétiques de réaction d'un composé C avec une cible, permet de déterminer une concentration de la cible dans le milieu et une périodicité du champ électrique pour lesquelles le coefficient de diffusion apparent du composé sera maximal et largement supérieur aux coefficients de diffusion apparents des autres composés, de sorte que ce composé sera séparé nettement des autres par diffusion dans le milieu. Les composés similaires qui forment le mélange sont ceux qui ont sensiblement un même rapport de charge électrique/(masse x coefficient de frottement). Même lorsque les composés présents dans le mélange ont sensiblement une même masse, une même charge électrique, un même coefficient de frottement dans le milieu et donc un même coefficient de diffusion intrinsèque dans ce milieu, et ne diffèrent que par des constantes cinétiques d'interaction avec une cible préalablement définie, le procédé selon l'invention permet de définir une concentration de cible dans le milieu et une période du champ électrique pour lesquelles le coefficient de diffusion apparent dans le milieu du composé à séparer est maximal par suite d'une résonance stochastique entre les réactions et le champ électrique. Par exemple, lorsque l'une des constantes cinétiques du composé C à séparer diffère de celles des autres composés du mélange d'un ordre de grandeur, les autres caractéristiques des composés étant identiques ou similaires (même masse, même charge électrique, même coefficient de frottement dans le milieu), le coefficient de diffusion apparent du composé C dans le milieu est au moins 3,5 fois supérieur à celui des autres composés du mélange, ce qui permet non seulement de le séparer des autres composés par diffusion, mais également de l'extraire du milieu avec un rendement intéressant et un degré de pureté relativement élevé. De façon générale, ce procédé est mis en #uvre dans un dispositif classique d'électrophorèse, comprenant par exemple une cuve remplie d'électrolyte et dans laquelle est placée une plaque d'un gel approprié, et des électrodes disposées dans la cuve autour de la plaque de gel et reliées à des moyens d'alimentation électrique permettant d'appliquer un champ électrique uniforme dans l'espace et variant périodiquement dans le temps à la plaque de gel. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement des moyens de mise en #uvre de l'invention ; - la figure 2 est un graphe représentant les variations du rapport des coefficients de diffusion apparent et intrinsèque d'un composé C en fonction d'un paramètre A correspondant à l'amplitude du champ électrique, dans les conditions de la résonance et dans des conditions différentes ; - la figure 3 est un graphe représentant la variation du rapport des coefficients de diffusion apparent et intrinsèque en fonction des valeurs de paramètres correspondant aux constantes cinétiques de réaction du composé ; - la figure 4 est un graphe représentant les variations de la pureté et du rendement dans le cas de la diffusion pure d'un mélange équimolaire de deux composés ayant des coefficients de diffusion différents, en fonction d'un paramètre sans dimension. Dans la représentation schématique de la figure 1, la référence 10 désigne une plaque d'un milieu tel que du gel, par exemple du gel d'agarose, d'un type utilisé couramment en électrophorèse. La plaque de gel 10 est placée dans une cuve d'électrophorèse 12 dont le contour est indiqué en tirets, et dans laquelle sont disposées des rangées d'électrodes 14, formées par exemple par des fils électriquement conducteurs qui s'étendent perpendiculairement au plan du dessin. Les électrodes 14 sont par exemple disposées autour des quatre cÔtés de la plaque de gel 10 et sont reliées à des circuits 16 d'alimentation électrique, eux-mêmes reliés à des moyens de commande 18 éventuellement pilotés par ordinateur. Ces moyens 16 d'alimentation et 18 de commande permettent d'appliquer à la plaque de gel 10 un champ électrique qui varie périodiquement dans le temps et qui est sensiblement uniforme dans l'espace, c'est-à- dire qui est le même en tout point de la plaque de gel 10, ce champ électrique étant par exemple orienté dans le plan de la plaque de gel, dans le sens indiqué par les flèches E. Cette technique est connue en électrophorèse et décrite par exemple dans les documents WO 84/02001 et US 5 084 157 auxquels on pourra se reporter pour davantage de précisions. Le procédé selon l'invention diffère des techniques connues d'électrophorèse essentiellement en ce que l'électrophorèse résultant de l'application d'un champ électrique périodique à un mélange de composés, a lieu en milieu réactif et en ce que le champ électrique varie périodiquement autour d'une valeur moyenne nulle. Pour cela, on utilise un milieu 10 qui contient une concentration déterminée d'un composant P qui réagit avec les composés contenus dans un mélange injecté en un point du milieu 10, les composés Ci de ce mélange réagissant avec le composant P pour former des produits Qi qui se décomposent eux-mêmes en produits initiaux Ci et P, comme indiqué ci-dessous où kl,i et k2,i sont les constantes cinétiques des réactions dans un sens et dans le sens inverse et varient d'un composé Ci à l'autre, kl,i étant un nombre de réactions par unité de concentration et par unité de temps, k2,i étant un nombre de réactions par unité de temps. Dans ce qui suit, on se place dans le cas le plus difficile où les composés Ci formant le mélange injecté dans le milieu 10 sont supposés avoir la même masse m, la même charge électrique z, le même coefficient de frottement y dans le milieu et le même coefficient de diffusion D dans ce milieu. Le composant P présent dans le milieu 10 et les composés Qi sont supposés insensibles au champ électrique et immobiles ou pouvant diffuser faiblement dans le milieu 10, soit parce qu'ils sont fixés par covalence, soit parce que leur dimension leur interdit tout déplacement dans le milieu 10. on suppose également que la concentration du composant P est sensiblement uniforme dans le milieu 10 et est maintenue sensiblement constante dans ce milieu pendant toute la séparation. Lorsque le champ électrique appliqué au milieu 10 est à variation sinusoïdale dans le temps et est par exemple de la forme E(t) acos(cot), on peut calculer la valeur moyenne xc (t) et la variance o-,2 (t) de la position x du composé C le long d'un axe e parallèle au champ électrique appliqué au milieu 10. on obtient alors la formule suivante : et de même : où est une amplitude recalibrée du champ électrique, cl kl p, p étant la concentration de P dans le milieu 10 C2 cl et C2 étant exprimés en s Bien que le champ électrique appliqué soit nul en moyenne, la position moyenne des composés Ci et Qi oscille autour d'une valeur différente de l'origine en raison de l'asymétrie des conditions initiales, le système gardant partiellement en mémoire la première excursion du champ électrique. Si on néglige les termes constants et les termes oscillants, la variance de position associée aux distributions Cj(x,t) et Qi(x,t) se réduit après un régime transitoire très court à : Da étant le coefficient de diffusion apparent d'un couple Ci, Qi et D étant le coefficient de diffusion intrinsèque du composé Ci. Lorsque l'amplitude du champ électrique est suffisante pour que la relation ci-dessous soit satisfaite : la diffusion apparente ne dépend pas de D et est commandée uniquement par les réactions chimiques et le champ électrique, le coefficient de diffusion apparent étant donné par la relation ci-dessous : Ce coefficient de diffusion apparent peut prendre une valeur arbitrairement grande définie par la valeur de l'amplitude recalibrée A du champ électrique. Ce coefficient de diffusion apparent est une fonction de cl et C2 et comprend un seul maximum (quand le champ électrique a une amplitude suffisante) qui est obtenu pour : c R c R ùù/2 1 2 R R ou, de façon équivalente, : ki . p = k2 = 7r/T où l'exposant R exprime une condition de résonance et T est la période du champ électrique. En figure 2, la courbe en traits pleins indique la variation du rapport Da/D en fonction de A à la résonance, la courbe en tirets longs indique la variation de ce rapport en fonction de A pour des R R1lO# constantes cinétiques k, et k2 la courbe en tirets courts indique la variation de ce rapport en R fonction de A pour des constantes cinétiques lokl R lOk2 et la courbe en pointillés indique la variation de ce rapport pour des constantes ci nétiques égales à lok R et k R 1 2- La figure 3 représente la variation du rapport Da/D en fonction des logarithmes à base 10 de cl et C2, le maximum de la variation correspondant aux conditions de résonance précitées. Si l'on considère les réactions chimiques comme des événements aléatoires, les transitions entre Ci et Qi sont des événements stochastiques et le maximum de la valeur de D. est obtenu pour des conditions qui correspondent à une résonance stochastique entre les réactions chimiques et le champ électrique appliqué au milieu 10. C'est cette résonance, qui se traduit par une valeur maximale du coefficient de diffusion apparent d'un composé C, qui permet de séparer ce composé C des autres composants Ci présents dans le mélange. on peut calculer en particulier que, si l'une des constantes cinétiques d'un composé Ci est égale à la constante cinétique du composé C pour lequel il y a résonance et que l'autre constante cinétique du composé Ci diffère d'un facteur 10 de l'autre constante cinétique du composé C, le coefficient de diffusion apparent du composé Ci sera 3,5 fois plus faible environ que celui du composant C. Cette différence de diffusion permet de bien séparer le composé C des composants Ci similaires, ces derniers étant des composants qui ont soit sensiblement la même charge électrique, la même masse et le même coefficient de frottement que C, soit sensiblement le même rapport z/m.y que C (la valeur de A étant sensiblement la même pour tous ces composants). Les composants diffèrent les uns des autres par la valeur d'au moins une constante cinétique de réaction avec le composant (P). Le champ électrique appliqué au milieu 10 peut varier périodiquement dans le temps d'une façon quelconque : la variation peut être sinusoïdale, en créneau, ou autre. La plus grande diffusion du composé C correspondant aux conditions de résonance permet de le séparer des autres composés Ci du mélange et de le récupérer, en partie, aux extrémités du profil de distribution dans le milieu 10. On peut dans le cas de la diffusion pure d'un mélange de deux composes (Cl, C2) ayant la même concentration et des coefficients de diffusion intrinsèques différents, calculer une pureté et un rendement de la récupération du composé Cl par les formules suivantes où : N est la quantité du composé Cl injectée dans le milieu 10 au temps t au point x I est l'intégrale de la concentration Cl(x, t) entre x et l'infini, on a représenté en figure 4 la variation de la pureté S et du rendement R en fonction de (x. On voit sur cette figure qu'en choisissant une pureté désirée, on peut déterminer la valeur de a et donc celle de x à partir de laquelle on pourra récolter le composé C, et le rendement que l'on obtiendra. Lorsque les coefficients de diffusion des deux composés Cl et C2 diffèrent dans un rapport de 3,5, on peut recueillir 25 % du composé Cl, avec une pureté de 90 %, pour a, = 0,85. on va maintenant décrire brièvement un exemple d'application de l'invention, permettant de fixer les idées. Cet exemple concerne la réaction chimique d'hybridation d'échantillons d'ADN sur de l'ARN en solution. Dans le cas d'échantillons d'oligodéoxyribonucléotides sur une cible ARN comprenant un site de liaison primaire de la transcriptase inverse HIV-1, le processus de liaison est caractérisé par les valeurs suivantes : 3 X 10 4 m- 1 s- 1 10 6 m- 1 s- 1 10- 3 s- i - k2 :9 2,5.10- 2 S- 1 D = 3.10- 10 m 2 s -1 2,7.10- 18 C :9 z :É 5,9.10- 18 C. La première condition de résonance kj-p donne des concentrations dIARN dans le milieu 10 comprises entre 10- 9 M et 10- 6 M, que l'on peut obtenir sans difficultés. La seconde condition de résonance co 2k2 conduit à co compris entre 2.10- 3 s- 1 et 5.10- 2 s- 1 et est facile à satisfaire. La dernière condition relative à l'amplitude du champ électrique est satisfaite lorsque cette - 5 - 1 amplitude est très supérieure à 4.10 V#Lm ce qui ne pose aucun problème technique. En accordant les valeurs de co et p aux valeurs de k, et k2 d'un échantillon donné, on peut séparer cet échantillon des autres en le plaçant dans les conditions de résonance stochastique entre la réaction de fixation sur 11ARN et le champ électrique. De façon générale, le procédé selon l'invention s'applique à la séparation de molécules de taille relativement faible à importante (variant de 10 à 10 6 Daltons environ) , par exemple des protéines, des oligonucléotides ou des oligosaccharides. REVENDICATIONS 1 - Procédé de séparation d'un composé chimique ou biologique présent dans un mélange de composés similaires, par diffusion dans un milieu tel qu'un gel, ce procédé comprenant une étape d'introduction du mélange de composés dans le milieu, caractérisé en ce qu'il consiste : - à utiliser un milieu (10) contenant un composant (P) qui réagit avec les composés (Ci) du mélange pour donner des produits (Qi), les réactions Ci + P Qi étant réversibles et ayant des constantes cinétiques (kj#i) dans le sens de l'obtention des produits (Qi) et %,j) dans le sens inverse, et - les composés (Ci) ayant une charge électrique, à appliquer un champ électrique variant périodiquement dans le temps au milieu (10) contenant ledit mélange de composés (Ci) , la période du champ électrique et la concentration du composant (P) dans le milieu (10) étant déterminées en fonction des constantes cinétiques (kl, k2) du composé (C) à séparer pour établir des conditions de résonance entre les réactions précitées et le champ électrique, pour lesquelles le coefficient de diffusion apparent (Da) du composé (C) dans le milieu (10) est à une valeur maximale. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplitude du champ électrique est supérieure à une valeur limite fonction des constantes cinétiques précitées et du coefficient de diffusion intrinsèque du composé (C). 3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les composés (Ci) dans le mélange ont sensiblement le même rapport charge électrique / (masse x coefficient de frottement) et diffèrent les uns des autres par la valeur d'au moins une constante cinétique de réaction avec le composant (P). 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'une des constantes cinétiques du composé (C) à séparer diffère de celles des autres composés du mélange d'au moins un ordre de grandeur. 5 - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la période du champ électrique est sensiblement égale à n/k2 et la concentration du composant (P) dans le milieu (10) est sensiblement égale à k2/kl. 6 - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la concentration du composant (P) dans le milieu (10) est maintenue sensiblement constante pendant la séparation. 7 - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'amplitude du champ électrique varie autour d'une valeur moyenne nulle. 8 - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le champ électrique est sensiblement uniforme dans le milieu (10). 9 - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les composés à séparer sont des molécules de taille comprise entre 10 et 10 6 Daltons environ. 10 - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les composés à séparer sont des protéines, des oligonucléotides ou des oligosaccharides.