« L'expression de protéine en système cell-free (acellulaire) est plus lente qu'un système cellulaire Escherichia Coli. (E. Coli). »
Il est vrai que le système d'expression de protéines E. coli est établi et reconnu, et que sa capacité à produire de grandes quantités de protéines en un temps limité est avantageuse. Notamment quand nous le comparons à d'autres systèmes d'expression, comme les systèmes eucaryotes pour lesquels 3 ou 4 semaines sont nécessaires !
Cependant, quand nous choisissons le système cell-free pour l’expression de protéines, nous voyons qu’il est plus rapide que dans le système E. coli. Tout simplement parce que certaines étapes spécifiques à la production de la protéine d'intérêt ne sont pas requises ou sont raccourcies.
Tout d’abord, seulement un à deux jours suffisent pour produire et purifier une protéine in vitro dans un système cell-free alors que jusqu'à deux semaines, sans prendre en compte l’étape de biologie moléculaire, sont nécessaires dans un système Escherichia. Coli (Carlson et al. 2012).
Cette réduction du délai d'exécution est principalement due au temps de préparation avant l'expression des protéines qui est réduite grâce au système in vitro cell-free. En effet, à l’inverse du système E. Coli, les systèmes cell-free peuvent utiliser des fragments d'ADN linéaires et s’affranchir du long processus de clonage, nécessaire pour générer un plasmide d'expression, ainsi que du processus de transformation et de sélection des bactéries recombinantes.
Il a été également prouvé que les procédures qui améliorent la stabilité des fragments d'ADN linéarisés augmentent aussi les niveaux de productivité (Rosenblum et al. 2014).
De plus, l'extrait cellulaire utilisé dans un système in vitro peut être préparé à l'avance et conservé jusqu'à un an sans altérer ses propriétés (Zawada et al. 2011). Cette capacité à stocker l'extrait cellulaire pour un usage futur est un avantage majeur.
Le processus de production est alors très rapide car il ne nécessite que la décongélation de l'extrait cellulaire ainsi que l'ajout d'une matrice d'ADN et d’un mélange réactionnel. Seulement six à huit heures plus tard, la protéine d'intérêt est prête à être chargée sur une colonne de purification !
Enfin, comme la fraction récupérée est moins complexe dans un système cell-free, le schéma de purification est simplifié par rapport à un système E. coli. En effet, un processus en une ou deux étapes est requis dans le système cell-free, tandis que deux à trois étapes sont généralement nécessaires dans le système E. coli.
A titre d’exemple, Synthelis, utilise depuis plus de 10 ans ce système d’expression de protéine et va plus loin. Grâce à sa technologie brevetée* qui allie les avantages du cell-free et l’utilisation de liposomes pour créer des protéoliposomes, où la protéine d’intérêt, des plus faciles au plus difficiles peuvent s’exprimer. Ainsi pour l’un de ses clients, Synthelis a récemment produit et purifié 10 mg de protéines correctement repliées en 2 jours pour des applications de biologie structurale !
Par conséquent, nous pouvons aisément dire que le processus de synthèse des protéines dans le système cell-free est beaucoup plus court que dans le système E. Coli, principalement parce qu'aucune étape d'amplification des cellules n'est nécessaire avant la phase d'expression (Carlson et al. 2012).
En conclusion, les temps de production raccourcis font du système cell-free une plateforme de production de protéines puissante et performante pour le criblage d'expression à haut débit (Casteleijn et al. 2013), dans le cadre du développement d'un produit ou à des fins de médecine personnalisée par exemple (Kanter et al. 2007).
En effet, le système cell-free a l'avantage pour la médecine personnalisée d'être plus rapide que les systèmes conventionnels, car en plus de temps de production réduits, le développement de lignes d'expression n'est pas nécessaire. Il est possible de tirer parti de la technologie cell-free pour produire rapidement, en petites et en grandes quantités, des protéines propres pour chaque profil de patients.
La preuve de concept d'un tel procédé est évidente dans les travaux de Timm et al, qui ont mis au point un modèle de bioréacteur micro-fluidique pour la production cell-free de protéines thérapeutiques à dose unique, utilisant un modèle de fabrication distribuée (Timm et al. 2016).
Cycle de temps système cellulaire vs. acellulaire, (cell-free en anglais)
*Synthelis a renouvelé sa licence exclusive mondiale, issue d’un brevet basé sur un système cell-free, qui permet d’exprimer des protéines membranaires en présence de liposomes. Numéro de brevet Européen : 2 140 015, délivré le 4 avril 2018 par le “European Patent Office (EPO) » et validé pour l’Allemagne, la Belgique, la France, Le Royaume Unis, la Suisse et le Liechtenstein.
• Carlson E.D., Gan R., Hodgman C.E., Jewett M.C. 2012. Cell-free protein synthesis: Applications come of age. Biotechnology Advances 30:1185–1194.
• Casteleijn M.G., Urtti A., Sarkhel S. 2013. Expression without boundaries: cellfree protein synthesis in pharmaceutical research. International Journal of Pharmaceutics 440:39-47.
• Kanter G., Yang J., Voloshin A., Levy S., Swartz J.R., Levy R. 2007. Cell-free production of scFv fusion proteins: an efficient approach for personalized lymphoma vaccines. Blood 109(8):3393-3399.
• Rosenblum G. and Cooperman, B.S. 2014. Engine out of the chassis: Cell-free protein synthesis and its uses. FEBS Letters 588:261–268.
• Timm AC, Shankles PG, Foster CM, Doktycz MJ, Retterer ST: Toward microfluidic reactors for cell-free protein synthesis at the point-of-care. Small 2016, 12:810-817.
• Zawada J.F, Yin G., Steiner A.R., Yang J., Naresh A., Roy S.M., Gold D.S., Heinsohn H.G., Murray C.J. 2011. Microscale to manufacturing scale-up of cell-free cytokine production – A new approach for shortening protein production development timelines. Biotechnology and bioengineering 108(7):1570-1578.