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Les virus ont toujours eu une influence majeure sur la vie. Ils sont apparus il y a quelques milliards d'années, la date exacte étant difficile à estimer. Il existe également plusieurs théories sur l'origine des virus. En explorant l'une d'entre elles, des chercheur·ses de l'ETH Zurich ont réussi à récapituler en laboratoire une étape potentiellement cruciale de l'évolution des virus: la création d'un conteneur protéique de type viral capable de stocker sa propre information génétique.
En termes simples, les virus sont constitués de matériel génétique (ARN ou ADN) enveloppé dans une enveloppe protéique. Le but de la capside est de protéger le matériel génétique des influences environnementales et de faciliter la propagation. Le succès du stockage du matériel génétique dépend de la capacité de certaines parties de la capside à reconnaître avec précision le matériel génétique viral et à s'y lier selon le principe du lock-and-key.
Mutation et sélection
Des chercheur·ses dirigé·es par Donald Hilvert, professeur émérite au département de chimie et de biosciences appliquées de l'ETH Zurich, ont réussi à modifier une protéine bactérienne pour acquérir cette capacité. Les chercheur·ses ont utilisé une protéine présente dans la bactérie thermophile Aquifex aeolicus. Dans cette bactérie, 60 copies de cette protéine s'assemblent naturellement en minuscules particules à 12 côtés, géométriquement régulières. Leur rôle est de s'assurer qu'une réaction biochimique spécifique se déroule efficacement. «Ces capside bactériennes ressemblent beaucoup aux enveloppes des virus, sauf qu'elles n'interagissent pas avec l'ARN», explique Donald Hilvert.
Pour s'assurer que les protéines de capside remplissent bien cette fonction, lui et ses collègues ont utilisé le génie génétique pour modifier la protéine de manière à ce qu'elle puisse se lier aux molécules d'ARN de leur choix. Il·les ont ensuite réalisé une expérience d'évolution en laboratoire pour optimiser le système, en le soumettant à plusieurs séries de modifications génétiques aléatoires et à une pression de sélection appropriée. Le résultat final était une capside qui enveloppait spécifiquement la molécule d'ARN cible.
De cette manière, les scientifiques ont réussi pour la première fois à produire un conteneur protéique qui emballe efficacement son propre ARN messager en son sein. La capsule obtenue était plus grande que l'originale, contenant 240 protéines qui se sont auto-assemblées en une coquille géométriquement régulière à 42 faces. En outre, chaque particule contenait deux ou trois molécules d'ARN messager. Les chercheur·ses, en collaboration avec des collègues des Universités de Leeds et de York, ont ensuite montré que la cargaison d'ARN avait également modifié sa structure tridimensionnelle au cours des expériences d'évolution, permettant ainsi un mécanisme d'emballage commun à de nombreuses familles de virus naturels.
Un large éventail d'applications
«En laboratoire, nous avons pu montrer qu'une molécule d'ARN et la protéine non virale qu'elle code peuvent être modifiées pour produire des capsides qui emballent efficacement l'ARN», explique Donald Hilvert. «Cela pourrait être similaire à la façon dont les virus à ARN ont évolué il y a des milliards d'années». Une théorie sur l'évolution des virus veut qu'ils soient nés dans des cellules biologiques et que les premiers virus aient recruté des protéines de leur cellule hôte pour protéger et propager leur génome.
Les chercheur·ses doivent encore s'attaquer à de nombreuses questions sans réponse sur la façon dont les virus sont apparus. Par exemple, il·les souhaitent étudier comment ces capsides ont pu évoluer pour pouvoir s'échapper d'une cellule, en envahir une autre et y libérer leur matériel génétique.
L'importance de cette recherche va au-delà de l'explication de l'évolution des virus. Le développement de particules de type viral est un domaine de recherche important qui offre un large éventail d'applications. Il s'agit de développer des capsides artificielles capables de transporter leur chargement d'ARN ou d'ADN dans des cellules biologiques. Les applications pourraient inclure les vaccins, la thérapie cellulaire et l'administration de médicaments.