Le processus de développement d’un nouvel ingrédient est long et coûteux, qu’il s’agisse d’un ingrédient cosmétique, nutraceutique ou pharmaceutique.
La première tâche du processus de développement est l’identification de la cible. L’ingrédient à développer provoquera l’effet recherché en bloquant ou en activant cette cible. Une fois la cible est identifiée, commence la phase de recherche de composés candidats qui ont une activité sur la cible. Ces composés candidats doivent être testés ultérieurement, en utilisant des techniques in vitro et sur des volontaires, jusqu’à leur approbation et leur arrivée sur le marché.
Combien de temps faut-il à un nouvel ingrédient pour se développer ?
Le processus de développement d’un nouveau médicament est le plus long, il peut durer de 10 à 14 ans. Alors que la conception de nouveaux ingrédients cosmétiques ou nutraceutiques prend généralement deux ou trois ans. Mais, il faut environ 5 ans pour que le produit final, qui contient cet ingrédient, arrive sur le marché.
La première étape de la conception d’un nouvel ingrédient consiste à identifier les molécules ou composés qui interagiront avec la cible moléculaire choisie. Cette longue liste de molécules candidates (des milliers), est alors limitée à des centaines pour des tests in vitro. Ce premier criblage nécessite l’utilisation de modèles moléculaires pour prédire l’affinité de chaque composé candidat pour la molécule cible.
En étudiant les interactions possibles qui peuvent se produire avec la cible moléculaire, nous pouvons obtenir des milliers de séquences ou de composés candidats susceptibles d’être l’ingrédient choisi. Tout cela est possible grâce à la grande quantité d’informations disponibles, telles que la génomique, l’épigénétique, l’architecture génomique, le transcriptome, la protéomique et la ribosomique [1].
La découverte de composés candidats et la sélection des composés les plus apparentés pour leur étude in vitro, impliquent de nombreux travaux de modélisation informatique. Avec ce travail, les meilleures interactions entre un certain composé et la cible moléculaire sont identifiées à l’aide de bibliothèques chimiques virtuelles qui identifient les composés actifs par ancrage moléculaire.
L’ancrage moléculaire analyse la conformation et l’orientation des molécules candidates au niveau de leur site de liaison avec la cible. Pour réaliser cette analyse, il est nécessaire d’obtenir la structure tridimensionnelle de la molécule cible [2]. Cependant, à de nombreuses reprises, si la structure n’est pas disponible en 3D, il est donc nécessaire d’utiliser des méthodes prédictives afin d’obtenir cette structure. Là encore, en utilisant des techniques de modélisation moléculaire, une structure tridimensionnelle prédictive peut être obtenue en utilisant la séquence de la cible et en la comparant à des structures connues et similaires en séquence [3].
Une fois la structure tridimensionnelle obtenue et l’analyse de couplage sont effectuées, les composés candidats sont classés en fonction de l’énergie de liaison, de l’énergie libre ou d’une mesure numérique qualitative pour approximer les énergies d’interaction entre la cible et le candidat [4].
Cette classification sélectionne les meilleurs candidats pour passer à la phase de validation, qui consiste en une première phase d’études précliniques et plus tard avec des volontaires (phase clinique).
Recherche de fonctions d’extraits naturels
Les produits naturels ont focalisé la découverte de nouveaux principes actifs ces dernières années, notamment dans l’industrie cosmétique et nutraceutique. Les produits naturels ne sont pas seulement ceux à base de plantes, mais leur champ d’application a été étendu aux ingrédients dérivés d’organismes marins, exotiques ou de micro-organismes.
Les produits naturels ont servi de base au développement de nombreux composés synthétiques [5] et leurs propriétés biologiques sont souvent basées sur des études en médecine traditionnelle. Les extraits naturels sont titrés dans un ingrédient actif qui est celui qui fournit les activités ou les revendications. Ces activités peuvent être redirigées grâce à l’utilisation de bibliothèques chimiques virtuelles moyennant la conception informatique.
La conception informatique ou in silico permet de développer le potentiel d’un composé synthétique ou naturel sur sa cible. De la même manière, nous pouvons configurer et développer le potentiel de molécules candidates et qualifier les prédictions d’interaction entre molécules qui existent déjà dans la nature [6].
La méthode la plus courante pour rechercher des fonctions d’extrait naturel est l’utilisation de bibliothèques chimiques virtuelles. Connaissant les ingrédients de l’extrait naturel, nous pouvons les sélectionner dans ces bibliothèques et ainsi étudier l’interaction de ces composés avec la cible souhaitée. Cette étude comprend l’échantillonnage de différentes conformations de molécules flexibles et le calcul de l’énergie d’interaction dans un environnement spécifique [7].
Donner une nouvelle vie à des molécules connues
La modélisation moléculaire permet également la redirection d’ingrédients déjà conçus. En repensant les molécules, nous pouvons rechercher de nouvelles actions ou activités complémentaires à celles que possède déjà la molécule.
C’est le cas des protéines, leur refonte entraîne un changement de conformation après la liaison d’un ligand, et présente une gamme de nouvelles applications biotechnologiques [8] qui peuvent être très intéressantes dans le domaine de la cosmétique et de la nutraceutique.
De la même manière, il existe certains processus biologiques médiés par des protéines tels que l’interaction entre protéines, entre protéine et ligand ou activités enzymatiques, qui peuvent être étudiés par conception informatique. La spécificité d’une interaction peut être mesurée en calculant l’énergie entre les molécules qui composent l’interaction. Les outils pour repenser la spécificité d’une interaction permettent de manipuler des réseaux cellulaires complexes et régulateurs [8], et de fournir de nouvelles fonctions à des molécules connues, leur donnant une seconde vie sur le marché.
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Intelligence artificielle pour la conception informatique
La conception informatique permet plusieurs activités; de la conception de nouvelles molécules à partir de zéro, au repositionnement d’ingrédients déjà connus, leur donnant une seconde vie sur le marché. La modélisation moléculaire ne se limite pas uniquement à la conception de molécules synthétiques, il est également possible de déterminer de nouvelles fonctionnalités dans des extraits de plantes ou de nouveaux produits naturels.
Les possibilités de conception informatique augmenteront à mesure que nos connaissances et notre utilisation de l’intelligence artificielle progresseront, ce qui réduira encore le temps et les coûts de développement d’ingrédients actifs pharmaceutiques, nutraceutiques ou cosmétiques.
Références
- Xia X. Bioinformatics and Drug Discovery. Curr Top Med Chem. 2017;17(15):1709-1726.
- Torres, P.H.M.; Sodero, A.C.R.; Jofily, P.; Silva-Jr, F.P. Key Topics in Molecular Docking for Drug Design. J. Mol. Sci. 2019, 20, 4574.
- Liu, Y.; Zhang, Y.; Zhong, H.; Jiang, Y.; Li, Z.; Zeng, G.; Chen, M.; Shao, B.; Liu, Z.; Liu, Y. Application of molecular docking for the degradation of organic pollutants in the environmental remediation: A review. Chemosphere 2018, 203, 139–150.
- Makhouri, F.R.; Ghasemi, J.B. Combating Diseases with Computational Strategies Used for Drug Design and Discovery. Curr. Top. Med. Chem. 2019, 18, 2743–2773.
- Arun H.S. Kumar. Rediscovering the drug discovery with natural products as therapeutic tools. J Nat Sci Biol Med. 2018 Jan-Jun; 9(1): 1.
- Grabenhofer R. 6 New Trends in Cosmetic Technology. Cosmetic Technology. April 17, 2018.
- Brian K. Shoichet. Virtual screening of chemical libraries. 2004 Dec 16; 432(7019): 862–865.
- Suarez M., Jaramillo A. Challenges in the computational design of proteins. J R Soc Interface. 2009 Aug 6; 6(Suppl 4): S477–S491.
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