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Le piège à virus : des nano-objets creux faits d'ADN pourraient piéger les virus et les rendre inoffensifs
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À ce jour, il n'existe aucun antidote efficace contre la plupart des infections virales. Une équipe de recherche interdisciplinaire de l'Université technique de Munich (TUM) a mis au point une nouvelle approche : elle engloutit et neutralise les virus à l'aide de nanocapsules conçues à partir de matériel génétique selon la méthode de l'origami ADN. Cette stratégie a déjà été testée contre les virus de l'hépatite et les virus adéno-associés dans des cultures cellulaires. Elle pourrait également s'avérer efficace contre les coronavirus.
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Il existe des antibiotiques contre les bactéries dangereuses, mais peu d'antidotes pour traiter les infections virales aiguës. Certaines infections peuvent être prévenues par la vaccination, mais le développement de nouveaux vaccins est un processus long et laborieux.
Aujourd'hui, une équipe de recherche interdisciplinaire de l'université technique de Munich, du Helmholtz Zentrum München et de l'université Brandeis (États-Unis) propose une nouvelle stratégie pour le traitement des infections virales aiguës : L'équipe a mis au point des nanostructures faites d'ADN, la substance qui constitue notre matériel génétique, qui peuvent piéger les virus et les rendre inoffensifs.
Nanostructures d'ADN
Avant même que la nouvelle variante du coronavirus ne mette le monde en attente, Hendrik Dietz, professeur de nanotechnologie biomoléculaire au département de physique de l'université technique de Munich, et son équipe travaillaient à la construction d'objets de la taille d'un virus qui s'assemblent eux-mêmes.
En 1962, le biologiste Donald Caspar et le biophysicien Aaron Klug ont découvert les principes géométriques selon lesquels les enveloppes protéiques des virus sont construites. Sur la base de ces spécifications géométriques, l'équipe de Hendrik Dietz de l'Université technique de Munich, soutenue par Seth Fraden et Michael Hagan de l'Université Brandeis aux Etats-Unis, a développé un concept permettant de produire des corps creux artificiels de la taille d'un virus.
Au cours de l'été 2019, l'équipe s'est demandé si de tels corps creux pouvaient également être utilisés comme une sorte de "piège à virus". S'ils étaient tapissés à l'intérieur de molécules liant les virus, ils devraient être en mesure de fixer solidement les virus et donc de les retirer de la circulation. Mais pour cela, les corps creux doivent également présenter des ouvertures suffisamment grandes pour permettre aux virus de pénétrer dans les coquilles.
"Aucun des objets que nous avions construits à l'aide de la technologie de l'origami ADN à l'époque n'aurait pu engloutir un virus entier - ils étaient tout simplement trop petits", déclare rétrospectivement Hendrik Dietz. "Construire des corps creux stables de cette taille était un énorme défi"
Le kit pour un piège à virus
En partant de la forme géométrique de base de l'icosaèdre, un objet composé de 20 surfaces triangulaires, l'équipe a décidé de construire les corps creux du piège à virus à partir de plaques triangulaires tridimensionnelles.
Pour que les plaques d'ADN s'assemblent en structures géométriques plus grandes, les bords doivent être légèrement biseautés. Le choix et le positionnement corrects des points de liaison sur les bords garantissent que les plaques s'assemblent d'elles-mêmes pour former les objets souhaités.
"De cette manière, nous pouvons désormais programmer la forme et la taille des objets souhaités en utilisant la forme exacte des plaques triangulaires", explique Hendrik Dietz. "Nous pouvons maintenant produire des objets comportant jusqu'à 180 sous-unités et atteindre des rendements allant jusqu'à 95 %". Le chemin pour y parvenir a toutefois été assez rocailleux, avec de nombreuses itérations."
Les virus sont bloqués de manière fiable
En faisant varier les points de liaison sur les bords des triangles, les scientifiques de l'équipe peuvent non seulement créer des sphères creuses fermées, mais aussi des sphères avec des ouvertures ou des demi-coques. Celles-ci peuvent ensuite être utilisées comme pièges à virus.
En collaboration avec l'équipe du professeur Ulrike Protzer, chef de l'Institut de virologie de la TUM et directeur de l'Institut de virologie du Helmholtz Zentrum München, l'équipe a testé les pièges à virus sur des virus adéno-associés et des noyaux de virus de l'hépatite B.
"Même une simple demi-coque de la bonne taille montre une réduction mesurable de l'activité du virus", déclare Hendrik Dietz. "Si nous mettons cinq sites de liaison pour le virus à l'intérieur, par exemple des anticorps adaptés, nous pouvons déjà bloquer le virus de 80 %, si nous en incorporons davantage, nous atteignons un blocage complet."
Pour éviter que les particules d'ADN ne soient immédiatement dégradées dans les fluides corporels, l'équipe a irradié les blocs de construction finis avec des rayons UV et traité l'extérieur avec du polyéthylène glycol et de l'oligolysine. Les particules sont ainsi restées stables dans le sérum de souris pendant 24 heures.
Un principe de construction universel
La prochaine étape consiste à tester les blocs de construction sur des souris vivantes. "Nous sommes très confiants dans le fait que ce matériau sera également bien toléré par le corps humain", déclare M. Dietz.
"Les bactéries ont un métabolisme. Nous pouvons les attaquer de différentes manières", explique le professeur Ulrike Protzer. "Les virus, en revanche, n'ont pas de métabolisme propre, c'est pourquoi les médicaments antiviraux sont presque toujours ciblés contre une enzyme spécifique d'un seul virus". Un tel développement prend du temps. Si l'idée d'éliminer simplement les virus de manière mécanique peut être réalisée, elle serait largement applicable et constituerait donc une avancée importante, en particulier pour les virus nouvellement apparus.
Les matériaux de départ pour les pièges à virus peuvent être produits en masse par les biotechnologies à un coût raisonnable. "En plus de l'application proposée comme piège à virus, notre système programmable crée également d'autres opportunités", déclare Hendrik Dietz. "Il serait également concevable de l'utiliser comme porteur d'antigènes multivalents pour les vaccinations, comme porteur d'ADN ou d'ARN pour la thérapie génique ou comme véhicule de transport pour les médicaments."
Référence : "Système de coquille icosaédrique programmable pour le piégeage des virus" par Christian Sigl, Elena M. Willner, Wouter Engelen, Jessica A. Kretzmann, Ken Sachenbacher, Anna Liedl, Fenna Kolbe, Florian Wilsch, S. Ali Aghvami, Ulrike Protzer, Michael F. Hagan, Seth Fraden et Hendrik Dietz, 14 juin 2021, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-021-01020-4
Cette recherche a été financée par le programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de la Communauté européenne dans le cadre du projet FET-Open VIROFIGHT (subvention n°. 899619), le Conseil européen de la recherche (CER) dans le cadre d'une subvention de consolidation, la Fondation allemande pour la recherche (DFG) par le biais de SFB863 et TRR179, et par des subventions du programme Gottfried Wilhelm Leibniz, le ministère fédéral allemand de l'éducation et de la recherche (BMBF) par le biais du projet StabVacB et le Centre allemand de recherche sur les infections (DZIF), de l'Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique (NWO), de la National Science Foundation des États-Unis par l'intermédiaire du Brandeis University Materials Research Science and Engineering Center, du National Institute of General Medical Sciences (NIGMS) des États-Unis et de la Fondation Alexander von Humboldt (AvH).
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