Il est vrai qu’Escherichia coli (E. coli) est la source d'extrait cellulaire la plus populaire quand il s’agit d’expression et de production de protéines en système cell-free. Cependant, des extraits de germes de blé, de réticulocytes de lapin ou de cellules d'insectes sont aussi couramment utilisés depuis de nombreuses années. Plus récemment, d'autres lignées cellulaires de mammifères ont également fait leurs preuves pour la biosynthèse de protéines en système cell-free.
La diversité des systèmes cell-free offrant des propriétés et des avantages différents, autorise un large choix de sources d'extrait cellulaire en fonction des propriétés de la protéine d’intérêt. En effet, la nécessité de modifications post-traductionnelles ou d'autres contraintes, comme :
orienteront vers un choix de système répondant aux besoins du projet.
Tout d’abord, l'origine et les caractéristiques biochimiques de la protéine à synthétiser sont déterminantes dans le choix de la source de l'extrait cellulaire (Tableau ci-dessous):
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E. coli |
Réticulocytes de lapin |
Germe de blé |
Cellules d’insecte |
Cellules humaines |
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Ponts disulfures |
Oui |
Oui |
Oui |
Oui |
Oui |
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Modifications post-traductionnelles. |
Non |
Possible en présence de membranes microsomiales |
Possible en présence de membranes microsomiales |
Oui |
Oui |
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Expression de protéines membranaires. |
Oui |
Oui |
Oui |
Oui |
Oui |
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Fourchette de rendement moyen. |
1 mg ml-1 à 100 mg ml-1 |
<100 µg ml -1
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Jusqu’à 10 mg ml -1 |
< 100 µg ml -1 |
Jusqu’à 750 µg ml -1 |
Par exemple, les protéines contenant des ponts disulfures peuvent être exprimées dans tous les systèmes, sauf dans les réticulocytes de lapin. A l’inverse, les protéines qui demandent des modifications post-traductionnelles telles que la glycosylation, doivent être exprimées dans des extraits issus de cellules d'insectes, de cellules CHO ou de réticulocytes de lapin, écartant ainsi les autres sources d’extraits.
En effet, la préparation de ce dernier est simple, robuste et peu coûteuse, et les meilleurs rendements d’expression sont, à ce jour, obtenus dans des extraits E. coli et dominent, sur ce point, les systèmes eucaryotes.
À titre d'exemple, la production d'anticorps et de « minibodies » exploite les avantages des systèmes d'expression cell-free procaryotes ou eucaryotes (Stech et al., 2015).
Des rendements de production élevés ont ainsi été obtenus en utilisant des systèmes procaryotes en présence de PDI ou de DsbC et des rapports variables de GSSG et de GSH : jusqu'à 950 mg/L pour un scFv, 300 mg/L pour un Fab et 400 mg/L pour un IgG aglycosylé (Yin et al. 2012).
Pour les systèmes eucaryotes, la production de fragments fonctionnels d'anticorps scFv a été réalisée en utilisant des extraits issus de cellules de l'insecte Spodoptera frugiperda (Sf21), qui contenaient des vésicules mais avec des rendements de 10 à 15 µg/mL (Stech et al., 2014).
Ces exemples illustrent bien que les rendements en systèmes cell-free procaryotes restent aujourd’hui nettement supérieurs à ceux obtenus avec des extraits eucaryotes.
En conclusion, la source d'extrait cellulaire a un impact important sur la synthèse de protéines, notamment pour l'expression de faisabilité, le rendement et le coût. Ainsi, les propriétés des protéines et les contraintes de production doivent être soigneusement analysées avant la sélection de l'extrait cellulaire à tester dans le cadre de projets en systèmes d'expression cell-free.
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: cell-free protein synthesis in pharmaceutical research. International Journal of Pharmaceutics 440:39-47.
Stech M., Hust M., Schulze C., Dübel S., Kubick S. 2014. Cell-free eukaryotic systems for the production, engineering and modification of scFv antibody fragments. Engineering in Life Sciences. 14:387–398.
Stech M., Kubick S. 2015. Cell-Free Synthesis Meets Antibody Production: A Review. Antibodies 4:12-33.
Yin G., Garces E.D., Yang J., Zhang J., Tran C., Steiner A.R., Roos C., Bajad S., Hudak S., Penta K., Zawada J., Pollitt S., Murray C.J. 2012. Aglycosylated antibodies and antibody fragments produced in a scalable in vitro transcription-translation system. mAbs 4(2):1-9.
Zemella A., Thoring L., Hoffmeister C., Kubick S. 2015. Cell-free protein synthesis: pros and cons of prokaryotic and eukaryotic systems. ChemBioChem 16:2420-2431.