Programme de recherche
Décrypter le code des anticorps
Benjamin Nemoz, M.D., Ph.D. · ingénierie des anticorps · immunologie structurale · apprentissage automatique
Une question sous-tend presque tout ce que je fais : quelles sont les règles cachées qui gouvernent la fabrication d'un bon anticorps ? Comment un lymphocyte B part-il d'une séquence germinale ordinaire pour, par hypermutation somatique et sélection, aboutir à un anticorps qui neutralise un virus contre lequel le système immunitaire a lutté des années durant ? Si ces règles peuvent être lues, elles peuvent être apprises ; et si elles peuvent être apprises, elles peuvent servir à concevoir des anticorps et des vaccins à dessein.
Mon programme poursuit cette question sur trois fronts à la fois : à la paillasse (isolement d'anticorps, structure et séquençage de répertoires), en clinique et sur le terrain (les pathogènes qui frappent réellement les gens, surtout les négligés), et dans le code (modèles de fondation d'anticorps et l'infrastructure de données qu'ils exigent). Il vise délibérément des cibles que le marché ne financera pas, et s'appuie sur un réseau de collaborateurs répartis sur quatre continents. Ce qui suit en est une carte honnête : ce qui est achevé, ce qui est en cours, et ce qui dort encore dans les cartons.
Ce travail est mené au Scripps Research au sein des laboratoires de Dennis Burton et Bryan Briney, sans qui rien de tout cela ne serait possible.
Statut ✓ terminé ◐ rédigé ◆ à paraître ● en cours ▪ dans les cartons ○ exploratoire
Thème I
Lire le code
Les règles de la maturation d'affinité peuvent-elles s'apprendre à partir de la seule séquence ?
Le cœur du programme. Si la maturation des anticorps obéit à des règles apprenables, un modèle entraîné sur suffisamment de séquences devrait les retrouver, puis générer une maturation que la nature n'a pas encore explorée. C'est là que la paillasse et le modèle bouclent la boucle.
Conception, entraînement et évaluation d'un modèle de fondation d'anticorps opérant à la résolution nucléotidique, le niveau auquel agissent réellement l'hypermutation somatique, le contexte des codons et le ciblage par l'AID, et que les modèles en acides aminés ne peuvent voir.
Un système à deux modèles (ciblage des mutations + substitution) qui simule l'hypermutation somatique à partir du seul contexte de séquence, sans aucune information d'antigène à l'entraînement. Appliqué à la lignée largement neutralisante du VIH PC94-A, les mutations prédites ont amélioré jusqu'à 76 fois la puissance neutralisante tout en préservant l'ampleur.
La couche de sucres comme partie du code : la N-glycosylation et son rôle dans la fonction des anticorps et l'immunobiologie des lymphocytes B.
Thème II
La lignée PC94-A, de bout en bout
À partir d'un seul donneur neutraliseur d'élite, jusqu'où peut-on comprendre, et pousser, une lignée largement neutralisante ?
À partir du donneur neutraliseur d'élite du VIH-1 PC94, j'ai isolé plusieurs lignées d'anticorps par des méthodes complémentaires, puis caractérisé de bout en bout la lignée largement neutralisante PC94-A (un anticorps du supersite V3-glycane / N332). L'essentiel a été mené à la paillasse comme au clavier : de l'utilisation du séquenceur et de la production des pseudovirus pour les tests de neutralisation au travail structural et biophysique, jusqu'aux corrections apportées à la boîte à outils d'analyse de répertoires (abstar) qui relie l'ensemble.
Récupération de PC94-A, parmi d'autres lignées, à partir du donneur PC94, et caractérisation de bout en bout de PC94-A contre l'enveloppe (Env) du VIH-1 : tests de neutralisation, interférométrie biocouche (BLI), cryo-EM, ELISA et polyréactivité.
Utiliser le modèle d'hypermutation somatique pour faire mûrir PC94-A au-delà de ce qu'elle a atteint in vivo ; les variants prédits ont conservé leur ampleur hétérologue avec des gains de puissance sélectifs (jusqu'à 76 fois), validés in vitro.
Déterminer si des changements dans la région constante (CH1) de PC94-A apportent un bénéfice fonctionnel, une sonde directe du code des anticorps au-delà du domaine variable.
À quoi ressemble la biologie cellulaire derrière une lignée qui atteint l'ampleur (lié au Thème I).
Thème III
Anticorps contre des cibles négligées & difficiles
Pouvons-nous atteindre les pathogènes que personne d'autre ne financera ?
La raison d'être du programme. Structure et anticorps neutralisants, dirigés droit vers des pathogènes à fortes conséquences et négligés, ceux qui ne franchissent jamais la barre commerciale.
Anticorps largement réactifs couvrant Ebola Soudan, Marburg et Bundibugyo.
Découverte d'anticorps contre Lassa, l'une des fièvres hémorragiques les plus préoccupantes d'Afrique de l'Ouest.
Acheminer des échantillons de patients au Scripps pour résoudre la structure de la glycoprotéine de surface et isoler des anticorps.
Conception d'anticorps contre l'orthohantavirus Andes ; enseignement récent sur la biologie des hantavirus.
Résoudre la structure de la glycoprotéine d'enveloppe et isoler des anticorps neutralisants. En pause pour l'instant ; une collaboration de collecte d'échantillons en Guyane française pourrait le relancer.
Un intérêt de longue date et mon premier amour scientifique : dengue, chikungunya et Zika (entre autres) au CHU Grenoble, y compris des travaux sur l'encéphalite à tiques.
Induction d'indels dans des anticorps anti-grippe ◐ rédigé, avec Nitin Bhalchandra Mishra (chercheur postdoctoral, laboratoire Wilson, Scripps) ; et conception d'anticorps dirigés contre la tige de l'hémagglutinine, guidée in silico ● en cours, avec Mahdi Shafiei (doctorant, Scripps).
Thème IV
Vaccins — apprendre l'immunité à l'avance
Si nous savons à quoi ressemble une bonne réponse, pouvons-nous l'induire à dessein ?
Les questions de conception vont dans les deux sens : non seulement lire les anticorps, mais concevoir les immunogènes destinés à les susciter.
Conception de l'immunogène Env PHI133 pour un candidat vaccin ARNm contre le VIH.
Conception et évaluation d'un vaccin ARNm fondé sur les séquences de virus fondateurs de PC39 (un second donneur du Protocol C).
À travers ces projets, j'ai intégré à ma boîte à outils la conception et l'évaluation de vaccins ARNm de bout en bout.
Thème V
Voir le répertoire entier — données & infrastructure
Que faut-il pour observer les anticorps à l'échelle qu'exige un modèle ?
Rien de la modélisation ne fonctionne sans des données à la bonne échelle et de la bonne qualité. Une grande partie du programme est la machinerie, humide et informatique, pour générer, apparier, annoter et curer les répertoires d'anticorps, y compris les corpus d'entraînement dont dépendent les modèles de fondation.
Une plateforme (paillasse et code) qui récupère les paires chaîne lourde/légère à l'échelle de millions de paires, par code-barres combinatoire et démultiplexage multicouche.
Ajouter une couche de code-barres d'antigènes pour que l'appariement porte l'information de spécificité. Travaux en cours.
Explorer l'appariement lourde/légère sur ~4,8 M de paires, avec des simulations de dynamique moléculaire sur ~13 000 appariements représentatifs, en visant la publication de deux des plus vastes jeux de données d'anticorps appariés disponibles.
Séquençage en vrac enrichi en lymphocytes B mémoire, pour des études à l'échelle du répertoire et pour constituer les corpus d'entraînement dont les modèles de fondation ont besoin.
Construction de références germinales propres à chaque donneur, à partir d'ARN (IgDiscover) et d'ADN (pipeline sur mesure, séquençage du locus Ig sur Nanopore). En commençant par des donneurs californiens, puis en s'étendant aux donneurs kényans.
Travaux sur le répertoire d'anticorps chez des donneurs africains, étendant la science des répertoires et des germinales au-delà des populations habituelles.
Thème VI
Prédiction, méthodes & benchmarks
Pouvons-nous prédire le comportement des anticorps, et le prouver au grand jour ?
Les affirmations de modélisation ne comptent que si elles tiennent de façon prospective. Ce volet porte sur les méthodes prédictives et sur leur mise à l'épreuve dans des compétitions en aveugle, validées en laboratoire.
Entraîner des modèles pour prédire l'affinité de liaison anticorps–antigène, y compris l'exploration d'approches d'informatique quantique aux côtés des méthodes classiques.
Un benchmark prospectif en aveugle de la découverte d'anticorps in silico (Nature Biotechnology). Un effort d'équipe avec le laboratoire Briney et Nitesh Mishra (staff scientist, Scripps) ; nos soumissions ont obtenu de solides résultats sur l'ensemble des épreuves.
Compétition prospective de conception d'anticorps contre Nipah, un autre paramyxovirus négligé à fortes conséquences.
Thème VII
Translation — du modèle à la molécule
Tout cela peut-il vraiment produire des médicaments ?
Le programme est conçu pour produire de vraies molécules, pas seulement des articles.
Cofondateur & directeur technique, avec les cofondateurs Felix et Stephen. Conception semi-autonome d'anticorps monoclonaux thérapeutiques entièrement humains de nouvelle génération. Autofinancée ; label national français « Deep Tech » (Bpifrance). Les programmes incluent la conception de nanobodies contre la maladie d'Alzheimer (avec PepperPrint, Allemagne), aux côtés de travaux de conception d'anticorps pour des partenaires externes.
Programmes de conception d'anticorps avec le DKFZ (Centre allemand de recherche sur le cancer) et une biotech cotée au NASDAQ ; travaux sur les nanobodies avec PepperPrint (Allemagne).
Portée
Le réseau de collaboration
C'est, par construction, un programme distribué, bâti sur le travail de nombreuses personnes. En son centre, Dennis Burton et Bryan Briney au Scripps Research, avec les collègues Karenna Ng, Mahdi Shafiei, Nate Price, Nathan Liendo, Nitesh Mishra et Jonathan Hurtado ; la biologie structurale dans le laboratoire d'Andrew Ward (Gabriel Ozorowski) et l'ingénierie anti-grippe avec Nitin Bhalchandra Mishra (laboratoire Wilson) ; la glycobiologie avec Max Crispin et Joel Allen (University of Southampton) ; la dynamique moléculaire avec Monica Fernández-Quintero. Sur le plan clinique et international, avec Julien Lupo et Giovanna Clavarino (CHU Grenoble Alpes), Nicolas Ellinger (Lyon), Facundo Batista (Ragon Institute, MGH/MIT/Harvard), Eunice Nduati (KEMRI-Wellcome Trust, Kenya), et un projet prospectif en Guyane française. Côté industrie : Fabulous Sciences (avec les cofondateurs Felix et Stephen), le DKFZ, PepperPrint, et un partenaire biotech coté au NASDAQ.
Où cela mène
Un programme de recherche indépendant
Rassemblés, ces fils décrivent un programme unique et finançable, articulé autour d'une boucle fermée : séquence → modèle → anticorps ou immunogène conçu → validation à la paillasse → retour au modèle. Trois piliers le portent.
1. Le code des anticorps. Des modèles de fondation, au niveau nucléotidique, des anticorps et de l'hypermutation somatique, étendus à la glycosylation, à la région constante et à la biologie de l'état cellulaire : un compte rendu mécaniste de la façon dont l'affinité et l'ampleur se construisent réellement, et un moteur génératif capable de prolonger la maturation au-delà de ce que la nature a échantillonné.
2. Cibles négligées & difficiles. Diriger ce moteur vers les pathogènes que le marché ignore, filovirus, Lassa, hantavirus, HTLV-1, arbovirus et Oropouche, Nipah, grippe, en associant biologie structurale et conception d'anticorps et de vaccins guidée par les modèles.
3. Le moteur de découverte. Les données et méthodes qui font tourner la boucle à grande échelle : séquençage de répertoires nativement appariés avec spécificité, références germinales globalement représentatives (de la Californie au Kenya), et modèles prédictifs validés de façon prospective.
L'ambition à court terme est de rendre cette boucle routinière, et de la diriger d'abord vers les maladies qui comptent le moins de défenseurs. Les anticorps sont l'une des rares modalités thérapeutiques où la conception est réellement à portée ; le but de ce programme est de rendre la conception rationnelle d'anticorps rapide, générale, et dirigée là où le besoin est le plus grand.