Comprendre comment les virus sont apparus au cours de l'évolution

Les virus ont toujours eu une grande influence sur la vie. Ils sont apparus il y a quelques milliards d'années. Il est difficile de savoir quand exactement. Et il existe également plusieurs théories sur la manière dont les virus se sont développés au cours de l'évolution. Des chercheurs de l'ETH Zurich ont toutefois réussi à reproduire en laboratoire une étape clé de l'évolution des virus : La formation d'une enveloppe virale capable d'emmagasiner le matériel génétique du virus.

Pour simplifier, les virus se composent principalement de leur matériel génétique (ARN ou ADN) et d'une enveloppe protéique qui l'entoure. L'enveloppe sert à protéger le patrimoine génétique des influences de l'environnement et à contribuer à sa propagation. Pour pouvoir stocker le patrimoine génétique à l'intérieur, les composants de l'enveloppe doivent reconnaître précisément le patrimoine génétique viral et pouvoir s'y fixer selon le principe de la clé et de la serrure.

Mutation et sélection

Des chercheurs dirigés par Donald Hilvert, professeur émérite au Département de chimie et des sciences biologiques appliquées, sont parvenus à modifier une protéine bactérienne pour qu'elle acquière cette capacité. Les scientifiques ont utilisé pour cela une protéine de la bactérie présente dans les sources chaudes. Aquifex aeolicus. Dans les bactéries, 60 protéines de ce type s'assemblent naturellement pour former de minuscules corps creux géométriques réguliers avec 12 faces latérales identiques. Dans les bactéries, ces capsules servent à permettre le déroulement particulièrement efficace d'une certaine réaction biochimique. "En principe, ces capsules bactériennes sont quelque chose de similaire à une enveloppe virale, à l'exception du fait que les capsules bactériennes n'interagissent pas avec l'ARN", explique le professeur Hilvert de l'ETH.

Pour que les protéines de la capsule fassent exactement cela, lui et ses collègues ont modifié la protéine à l'aide du génie génétique de manière à ce qu'elle puisse s'attacher à n'importe quelle molécule d'ARN. Ensuite, les chercheurs ont imité l'évolution biologique en accéléré dans le cadre d'une expérience en plusieurs étapes. Ils sont ainsi parvenus à ce que les protéines d'enveloppe n'interagissent plus qu'avec une seule molécule d'ARN. Pour ce faire, ils ont d'abord soumis cette protéine à des modifications génétiques aléatoires en plusieurs étapes, puis l'ont soumise à une pression de sélection appropriée.

De cette manière, les scientifiques ont réussi pour la première fois à fabriquer des enveloppes de protéines qui s'attachent à leur propre mode de construction d'ARN et le stockent efficacement à l'intérieur. Les capsules obtenues étaient plus grandes que les capsules d'origine : 240 protéines se sont assemblées pour former un corps creux à la structure géométrique régulière avec 42 faces latérales. Dans chacun de ces corps creux se trouvaient deux à trois molécules d'ARN guidant la construction. Les chercheurs ont finalement démontré, en collaboration avec des collègues des universités de Leeds et de York, que la structure tridimensionnelle des molécules d'ARN s'était modifiée au cours de l'expérience d'évolution en laboratoire de telle sorte qu'elles étaient stockées dans les capsules de la même manière que dans de nombreuses familles de virus connues.

Applications larges

"Nous avons ainsi pu montrer en laboratoire : Une molécule d'ARN et la protéine qu'elle code peuvent se modifier de manière à ce que la protéine s'assemble en capsules et emmagasine de l'ARN", explique Hilvert. "L'évolution des virus à ARN pourrait s'être déroulée de la même manière il y a des milliards d'années". Une certaine théorie sur l'évolution des virus affirme que les virus ont leur origine dans des cellules biologiques et que les premiers virus ont recruté des protéines de leur cellule hôte pour protéger et transporter leur génome.

Pour comprendre entièrement l'origine des virus, de nombreuses autres questions sans réponse attendent les scientifiques, qui souhaitent s'y pencher ensuite : Il s'agit de comprendre comment de telles enveloppes ont appris au cours de l'évolution à s'échapper d'une cellule, à pénétrer dans d'autres cellules et à y libérer le matériel génétique.

Cette recherche n'est pas seulement importante pour expliquer l'évolution virale. Le développement de particules ressemblant à des virus est également un domaine de recherche important avec de larges applications. Il s'agit de développer des enveloppes artificielles qui contiennent de l'ARN ou de l'ADN et qui sont capables de les introduire dans des cellules biologiques. Les applications seraient par exemple les vaccins, la thérapie cellulaire ou les véhicules pour l'administration de médicaments.