Dans une avancée révolutionnaire pour la science et la médecine, le Professeur Sangmin Lee, du département de génie chimique de POSTECH, en collaboration avec le Professeur David Baker, lauréat du Prix Nobel de chimie 2024 et chercheur à l’Université de Washington, a mis au point une plateforme thérapeutique innovante en s’inspirant des structures complexes des virus. Leurs travaux, publiés dans Nature le 18 décembre 2024, marquent un tournant décisif dans la conception de thérapies géniques et de vaccins de nouvelle génération.
Les Virus, des Modèles Naturels de Sophistication Moléculaire
Les virus sont de véritables chefs-d’œuvre biologiques. Ils protègent leur matériel génétique à l’intérieur d’enveloppes sphériques constituées de protéines, ce qui leur permet d’infecter les cellules hôtes et de se répliquer avec une efficacité redoutable.
Inspirés par cette structure complexe, les scientifiques tentent depuis des années de créer des protéines artificielles appelées « nanocages » pour imiter les virus. Ces nanocages, conçues pour transporter des gènes thérapeutiques dans les cellules cibles, rencontrent cependant des obstacles majeurs : leur petite taille limite la quantité de matériel génétique qu’elles peuvent contenir, et leur conception reste trop simple pour reproduire la multifonctionnalité des protéines virales naturelles.
L’équipe de recherche a adopté une approche nouvelle en utilisant l’intelligence artificielle (IA) pour la conception computationnelle. Bien que la plupart des virus présentent des structures symétriques, ils possèdent également des asymétries subtiles qui renforcent leur efficacité. En exploitant ces caractéristiques, l’IA a permis de recréer ces particularités et de concevoir des nanocages aux formes géométriques variées : tétraédres, octaédres et icosaèdres. Cette avancée représente une première mondiale dans le domaine.
Un usage des Virus révolutionnaire dans la Thérapie Génique
Ces nouvelles nanostructures se composent de quatre types de protéines artificielles, formant des architectures complexes avec six interfaces protéine-protéine distinctes. Parmi elles, la structure icosaédrique, mesurant jusqu’à 75 nanomètres de diamètre, se distingue par sa capacité à transporter trois fois plus de matériel génétique que les vecteurs actuels comme les virus adéno-associés (AAV). Cette capacité accrue ouvre des perspectives prometteuses pour la thérapie génique, en permettant de traiter des maladies génétiques complexes avec une plus grande efficacité.
L’utilisation de la microscopie électronique a confirmé que les nanocages conçues par IA présentaient des structures symétriques précises, conformément aux prévisions théoriques. Des expériences fonctionnelles ont démontré leur capacité à livrer efficacement des charges thérapeutiques aux cellules cibles, confirmant leur potentiel pour des applications médicales concrètes.
« Les progrès de l’IA ont ouvert la voie à une ère nouvelle, où nous pouvons concevoir et assembler des protéines artificielles pour répondre aux besoins de l’humanité », déclare le Professeur Sangmin Lee. « Nous espérons que cette recherche accélèrera le développement de thérapies géniques, tout en stimulant des innovations dans les vaccins de prochaine génération et d’autres avancées biomédicales. »
Le Professeur Lee, qui a travaillé comme chercheur postdoctoral dans le laboratoire du Professeur Baker à l’Université de Washington de février 2021 à fin 2023 avant de rejoindre POSTECH en janvier 2024, bénéficie d’un financement étendu. Cette étude a été soutenue par le ministère sud-coréen des Sciences et des TIC dans le cadre du programme pour jeunes scientifiques d’excellence, le programme de développement des technologies nano et matériaux, ainsi que le programme de recherche mondiale sur les frontières. Un financement complémentaire a été fourni par l’Howard Hughes Medical Institute (HHMI) aux États-Unis.
Le futur de la santé reste la maladie-même
Au-delà de l’amélioration des thérapies géniques, ces avancées pourraient avoir des répercussions majeures dans la lutte contre des pandémies futures et des maladies chroniques. En exploitant des nanocages conçues sur mesure, il sera possible de cibler précisément les cellules malades, réduisant doinc les effets secondaires et améliorant l’efficacité des traitements.
Cette découverte est majeure puisque trouver des traitements efficaces réside dans notre compréhension des maladies. Nous avons eu le même exemple avec la pénicilline. En 1928, Alexander Fleming observe que le champignon Penicillium notatum produit une substance capable de tuer des bactéries pathogènes.
Cette observation fortuite mène à l’isolement de la pénicilline, le premier antibiotique efficace contre de nombreuses infections bactériennes. Son introduction révolutionne le traitement de maladies autrefois mortelles, comme la pneumonie, la syphilis et les infections streptococciques. La pénicilline ouvre la voie au développement d’autres antibiotiques, tels que l’amoxicilline et les céphalosporines, élargissant ainsi l’arsenal médical contre les infections bactériennes.
La dernière fois que nous avons eu une avancée aussi radicale était en 2022. L’utilisation de la technologie CRISPR-Cas pour traiter des infections virales chroniques comme le VIH (virus de l’immunodéficience humaine) s’était distinguée. Depuis sa découverte, CRISPR-Cas, un outil d’édition génétique dérivé d’un système immunitaire bactérien, a été principalement utilisé pour modifier des gènes dans des cellules vivantes. Il faut voir CRISPR-Cas comme une espèce de “ciseau génétique”. Des chercheurs ont plus récemment démontré son potentiel pour cibler et éliminer les réservoirs viraux, des cellules où le VIH reste dormant malgré les traitements antirétroviraux classiques.
Dans des modèles animaux, cette approche a conduit à une réduction significative de la charge virale. De plus, les tests ont confirmé que les cellules saines ne subissaient aucun dommage collatéral, renforçant ainsi la sécurité de cette méthode. Ces résultats ouvrent la voie à des essais cliniques sur l’homme pour évaluer l’efficacité et la faisabilité de cette thérapie dans un cadre médical. Cette avancée est particulièrement importante pour les millions de personnes vivant avec le VIH, car elle offre une possibilité d’élimination complète du virus, contrairement aux traitements actuels qui ne font que le maintenir sous contrôle.