Biochimie-Module02-Chapitre08-Applications enzymologiques

1.Techniques utilisant les enzymes

A. Immuno-enzymologie

A1.ELISA : Enzyme-linked immunosorbent assay.

Les techniques immunologiques ont longtemps employé la radioactivité pour révéler la présence d’un complexe immun dans un échantillon. Cette technique nécessite la manipulation et la gestion de produits/déchets radioactifs, ce qui peut poser problème à long terme. A la fin des années 60, Avrameas et Pierce développent une méthode pour fixer des enzymes sur des anticorps via le glutaraldéhyde. C’est le début de l’immuno-enzymologie.

En 1971, Perlmann et Engvall mettent au point la méthode ELISA, qui est la plus utilisée maintenant.

Principe général de la méthode ELISA. Wikipédia.
Différents types d’ELISA. Source. Note : l’enzyme est représentée par un point orange.

Quelles sont les enzymes utilisées en ELISA ?

Avantages et inconvénients des principales méthodes employées en ELISA. Source.
Principaux systèmes-rapporteurs employés en ELISA. Source. Les méthodes enzymatiques sont les plus fréquentes : HRP horseradish peroxydase et AP alkaline phosphatase.
Principaux substrats des enzymes employées en ELISA. Source.

Durant la réalisation d’un ELISA, l’ordre des étapes doit être scrupuleusement respecté et les lavages, très nombreux, sont déterminants pour la qualité finale de la réaction. L’ELISA est réalisé en microplaque, et les résultats sont lus à l’aide d’un lecteur de microplaque.

Protocole pour un ELISA-indirect

  1. Coating des antigènes (antigène A) au fond des puits de microplaque ;
  2. Lavage : éliminer les antigènes non-fixés ;
  3. Saturation des sites non-liés par une protéine, généralement de la BSA ;
  4. Lavage : éliminer la BSA non-fixée ;
  5. Dépôt du sérum du patient dans les puits : si l’anticorps reconnaissant l’antigène A est présent, il se fixe ;
  6. Lavage : éliminer les anticorps non-fixés ;
  7. Dépôt de l’anticorps secondaire, couplé à l’enzyme. L’anticorps reconnaît le fragment Fc de l’anticorps du patient et s’y fixe ;
  8. Lavage : éliminer les anticorps secondaires non-fixés ;
  9. Ajout des substrats de l’enzyme : activation du système-rapporteur ;
  10. Ajout de la solution d’arrêt après 5-10 min de réaction enzymatique
  11. Lecture des absorbances.
Exemple d’ELISA. Les puits colorés correspondent aux puits dans lesquels la réaction du système-rapporteur a eu lieu = réponse positive. La coloration décroit de gauche à droite, car on réalise généralement une gamme de dilution du sérum pour déterminer un titre = dilution la plus faible en sérum pour laquelle la réaction a encore lieu. En fonction du titre du patient, on détermine son état physiologique : malade ou non-malade.

La méthode ELISA est principalement utilisée dans les laboratoires d’analyse médicale pour rechercher des anticorps dans le sérum d’un patient (sérologie), détecter des antigènes (protéines virales, toxines bactériennes, …) , mais également pour la caractérisation des épitopes d’anticorps monoclonaux ou leur isotypage (classe d’anticorps).

A2.Autres méthodes

Immunofixation/dot-blot./immunoblot/western-blot : l’antigène est préalablement adsorbé sur une membrane (cellulose ou agar) et repéré par l’utilisation d’un anticorps primaire ou secondaire, couplé à une enzyme. Ces tests sont surtout employés en activité de recherche ou de diagnostic (confirmation VIH par western-blot). Les antigènes sont préalablement séparés par des techniques de migration passive, ou active comme l’électrophorèse (western-blot).

Immunohistochimie : marquage d’une protéine in situ (directement sur une lame de tissu), grâce à un anticorps couplé à une enzyme (primaire) ou repéré par un second anticorps couplé à une enzyme (secondaire). Cette approche est également utilisée en recherche et en diagnostic, comme la recherche de cellules cancéreuses.

Catalogue d’anticorps primaire reconnaissant des marqueurs tumoraux, de la société Bio-connect. La liste des anticorps élaborés est disponible sur le site : ce sont tous des anticorps non-conjugués (primaires) qui nécessitent donc un anticorps secondaire (anti-anticorps) conjugué à une enzyme.

B. Les enzymes immobilisées

B1.Introduction

L’usage quasi-systématique d’enzymes dans les Biotechnologies a forcé la recherche à développer de nouvelles stratégies d’utilisation de ces protéines. Les principaux problèmes rencontrés étaient :

  • L’enzyme se retrouve mélangée au produit final, donc elle est contaminante du produit ;
  • L’enzyme est techniquement perdue, sauf à mettre en place des techniques de purification complexes ;
  • L’enzyme est potentiellement dangereuse pour la santé, comme cela était le cas dans les lessives, il y a une cinquantaine d’années.

Tous ces points ont conduit au développement de techniques d’encagement des enzymes, lors des processus biotechnologiques. On parle alors d’enzymes immobilisées ! Cette stratégie permet :

  • « D’isoler » l’enzyme du milieu réactionnel : elle ne circule plus dedans. Elle est ainsi plus stable dans le temps, moins dégradée ;
  • De retirer facilement l’enzyme du milieu réactionnel : elle ne contamine plus le produit final, elle peut être ré-utilisée et recyclée facilement ;
  • Elle permet un fonctionnement de production en continu (plus adaptée aux exigences de production industrielle), alors que la production était surtout réalisée en batch avant les enzymes immobilisées.
Principe de culture en continu, comparé à la culture en batch (qui peut être réalisée avec soutirage régulier, mais on perd en milieu réactionnel, et en enzyme à chaque soutirage). Source
B2.Stratégies d’immobilisation
Principales stratégies d’immobilisation des enzymes. Source
B3.Propriétés cinétiques des enzymes immobilisées

L’éloignement de l’enzyme de son substrat, notamment dans les cas des enzymes réticulées ou encapsulées, provoquent un « retard » d’accès du substrat vers l’enzyme. Ceci se traduit par une augmentation de la valeur de Km, mais également une diminution de la Vmax

Autres propriétés modifiées par l’immobilisation :

B4.Applications des enzymes immobilisées
  • Diagnostic : surfaces imprégnées d’enzyme pour la détection d’hormone, de cholestérol, …
  • Clinique : encapsulation d’enzyme pour le traitement de déficiences enzymatiques, et les protéger d’action de protéases (traitement des maladies lysosomiales).
  • Agroalimentaire : élimination de lactose du lait, …

Détail des applications :

Différentes applications des enzymes immobilisées pour la production de molécules et la clinique. Source

Le développement des enzymes immobilisées a abouti à la production des biocapteurs.

C. Les biocapteurs

2.Applications analytiques

Voir TD

3.Applications industrielles


Fin du chapitre 08