La biophysique de la molécule unique à l’ère du haut débit
La possibilité d’étudier de grandes bibliothèques de séquences d’ADN, d’ARN et de protéines au niveau de la molécule unique est depuis longtemps un objectif critique de la biophysique, qui promet d’ouvrir de nouvelles dimensions à la compréhension moléculaire. «En permettant aux chercheurs d’examiner la dynamique et les interactions des molécules individuelles, ces études fourniraient des renseignements essentiels sur les processus biologiques», explique Chirlmin Joo(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), biophysicien à l’université technologique de Delft(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). «Cela inaugurerait également de nouvelles méthodes de traitement des troubles génétiques, du cancer et d’autres maladies.» Le projet MIGHTY_RNA, qui a reçu le soutien du Conseil européen de la recherche(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), contribue à surmonter cette limitation de longue date. Au cœur de cette initiative se retrouve SPARXS, une plateforme innovante qui intègre des mesures de fluorescence de molécules uniques avec le séquençage de nouvelle génération pour permettre des études biophysiques à haut débit et spécifiques à une séquence. «Cette solution révolutionnaire permet la caractérisation cinétique et structurelle simultanée de millions de molécules avec des milliers de séquences uniques», explique Chirlmin Joo, ce qui accélère la compréhension de leur forme et de leur comportement.
Relever les défis
Les chercheurs ont dû relever plusieurs défis pour développer la plateforme SPARXS. L’un d’entre eux consistait à assurer la compatibilité de la détection de la fluorescence de la molécule unique et des processus de séquençage sur la même cellule de flux de séquençage commerciale. Au départ, les chercheurs n’étaient même pas sûrs que cela fonctionnerait, car ils n’avaient aucun contrôle direct sur les conditions au sein d’une cellule de flux de séquençage. «Réaliser une fluorescence de molécule unique (sans bruit de fond) dans cet environnement, a exigé de repenser les stratégies de détection depuis le début», souligne Chirlmin Joo. «Il s’agit d’une avancée majeure qui a rendu possible le projet SPARXS.» En outre, pour aligner les vastes ensembles de données issues de la microscopie à fluorescence et des modalités de séquençage, le projet a dû développer des algorithmes personnalisés capables d’effectuer un couplage précis des données. Les ensembles de données, et tous les logiciels utilisés dans le cadre du projet, sont disponibles en libre accès(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre).
Une unique expérience, des milliers de séquences uniques
Grâce à SPARXS, les chercheurs ont pu étudier le comportement cinétique de plus de 4 000 séquences d’ADN uniques en une unique expérience. Selon Chirlmin Joo, ces travaux ne révèlent pas seulement de nouvelles connaissances sur la dynamique moléculaire dépendant de la séquence, mais fournissent également un cadre robuste et généralisable qui peut être appliqué à l’étude des protéines, de l’ARN et d’autres biomolécules. «SPARXS ouvre de nouvelles voies vers une meilleure compréhension des relations séquence-structure-fonction à une échelle sans précédent, et le fait de voir ce concept se concrétiser et être validé expérimentalement a constitué un tournant dans ma carrière», ajoute-t-il.
L’influence des variations de séquence sur le comportement moléculaire
Le projet MIGHTY_RNA a repoussé les limites de la biophysique de la molécule unique dans le domaine du haut débit, et il ne compte pas s’arrêter en si bon chemin. Les chercheurs souhaitent à présent étendre l’utilisation de SPARXS au-delà des acides nucléiques, en l’adaptant à l’étude des interactions protéine-ligand et protéine-peptide. Le projet explore également la possibilité d’intégrer les données de SPARXS à des approches d’apprentissage automatique. Une telle combinaison pourrait permettre à la plateforme de prévoir les interactions et la dynamique moléculaires, améliorant ainsi son utilisation dans la recherche de médicaments et la biologie synthétique. «En combinant la résolution des techniques à molécule unique et l’échelle des approches à haut débit, la plateforme SPARXS permet aux chercheurs d’étudier systématiquement la manière dont les variations de séquence influencent le comportement moléculaire, avec des applications qui vont de la biophysique fondamentale à la recherche biomédicale translationnelle», conclut Chirlmin Joo. Il est ouvert aux demandes(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) de collaborateurs potentiellement intéressés par l’application de SPARXS à d’autres systèmes biologiques.
Mots‑clés
MIGHTY_RNA, biophysique, SPARXS, biophysique de la molécule unique, molécules, troubles génétiques, cancer, maladies, ADN, protéines, ARN, biomolécules
