Câblage des cellules

Un jour de 1998, Randy Rettberg '70 est allé rendre visite à un vieil ami, Tom Knight '69, SM '79, PhD '83, chercheur au laboratoire d'intelligence artificielle du MIT. Rettberg, qui avait travaillé dans l'industrie informatique pendant 30 ans, a été surpris de voir que Knight, un concepteur de semi-conducteurs autoproclamé qui avait participé au développement d'ARPAnet, avait mis en place un laboratoire de biologie au milieu du laboratoire d'IA, alors situé à Tech Square.

science cool Des bouteilles de milieu de croissance pour bactéries sont stockées dans le réfrigérateur de laboratoire du biologiste synthétique du MIT Randy Rettberg, dont les équipes iGEM conçoivent E. coli pour exprimer de nouveaux traits.

Son équipement électronique avait disparu, les analyseurs logiques avaient disparu, et il me montrait des bouteilles et me disait à quel point cette bouteille était cool – elle avait ce joli couvercle qui ne goutterait pas, se souvient Rettberg. Et il avait un bel incubateur pour pouvoir faire pousser des choses, et un autoclave.

Knight avait parlé à Rettberg de l'idée d'appliquer les principes d'ingénierie à la biologie : démonter des cellules, comprendre comment elles fonctionnent et réassembler les pièces (dans ce cas, les gènes) pour faire quelque chose de nouveau. Dans les années 1990, Knight avait décidé de franchir le pas. Il a passé cinq ans à suivre presque tous les cours du MIT en biologie moléculaire, absorbant autant d'informations que possible sur un domaine dans lequel il n'avait presque aucune formation.

Rettberg, qui cherchait un changement de carrière, a décidé de quitter son poste de directeur technique d'une division Sun Microsystems et de rejoindre Knight. Lui aussi partait de zéro en matière de biologie. J'ai tous les livres de biologie et de chimie que je pouvais, dit-il. Je suis allé à la Coop et j'ai obtenu une pile d'environ un pied de haut. Cela représente environ 800 $ de livres. J'ai lu et lu et lu jusqu'à ce que je ne puisse plus y aller parce que je ne savais pas comment prononcer les mots. J'ai réalisé que je ferais mieux d'apprendre la bonne façon de prononcer les choses ou j'allais avoir l'air vraiment stupide. Il est donc venu au MIT en tant qu'affilié de recherche non rémunéré dans le laboratoire de Knight et a commencé à suivre des cours de biologie.

Voir les photos du concours international de machines génétiquement modifiées 2010

Pourquoi les ingénieurs électriciens passent-ils tout ce temps à se renseigner sur le fonctionnement interne des cellules ? Knight et Rettberg, qui est maintenant ingénieur de recherche principal au département de génie biologique du MIT, voulaient voir si la biologie est suffisamment modulaire - et suffisamment bien comprise - pour permettre aux chercheurs de concevoir, construire et tester des systèmes biologiques. Pourraient-ils un jour traiter les cellules comme des circuits imprimés vivants, laissant les gènes remplacer les composants électriques comme les résistances et les condensateurs ? Ils se sont demandé s'ils pourraient finalement reconcevoir des cellules vivantes en assemblant des circuits biologiques à partir d'un ensemble de pièces standardisées (gènes), tout comme un ingénieur peut construire des circuits pour contrôler des appareils électroniques en combinant les bons composants. Si tel est le cas, ils pourraient traiter la biologie comme une technologie de fabrication, en programmant des cellules pour produire des choses qu'elles ne fabriqueraient pas normalement, par exemple des médicaments, des carburants ou des plastiques. La biologie se trouve juste à faire plus de copies, dit Knight. Mais nous pouvons subvertir cela. Nous pouvons l'utiliser pour faire à peu près n'importe quoi.

Cette nouvelle approche, connue sous le nom de biologie synthétique, a d'abord suscité le scepticisme des biologistes, rappelle Ron Weiss, SM '94, PhD '01, qui était un étudiant diplômé de Knight à la fin des années 1990. À cette époque, il était rare de trouver un biologiste qui comprendrait ou se soucierait de ce que nous faisions, dit-il. La biologie synthétique va plus loin que le génie génétique, qui consiste généralement à ajouter un seul gène à une cellule afin qu'elle fasse quelque chose qu'elle ne ferait pas normalement. Il est également différent du génie métabolique, qui utilise les techniques du génie génétique pour maximiser la production cellulaire de produits commercialement utiles, tels que l'insuline. Assembler un ensemble donné de gènes de manière innovante permet aux biologistes synthétiques d'accomplir des tâches très spécifiques et sophistiquées qu'ils ne pourraient pas accomplir en modifiant les cellules un gène à la fois, un processus qui ne permet pas toujours de contrôler leur une fonction.

Aujourd'hui professeur agrégé de génie biologique, Weiss a rejoint la faculté du MIT en 2009 pour lancer une nouvelle initiative de recherche en biologie synthétique au MIT, le Center for Integrative Synthetic Biology. Le centre devrait ouvrir ses portes cet automne à Technology Square et comprendra Rettberg et environ une douzaine de membres du corps professoral des départements du MIT, notamment le génie biologique, la biologie, le génie chimique, le génie électrique et l'informatique. (Knight, maintenant en congé du MIT et travaillant chez Gingko Bioworks, une entreprise de biologie synthétique qu'il a cofondée, devrait le rejoindre à son retour à l'Institut en tant que chercheur principal en génie électrique et informatique.)

L'un des rares programmes de biologie synthétique dans le monde, le nouveau centre vise à rendre la biologie synthétique aussi pratique que possible en l'intégrant à la biologie des systèmes, une approche informatique pour déterminer les interactions biologiques complexes qui déterminent le comportement d'un système (par exemple , la réponse d'une cellule à une hormone particulière). En démêlant ces systèmes et en trouvant des moyens de les réorganiser, les chercheurs espèrent faire progresser la recherche sur les biocarburants et la synthèse de molécules biologiques, et développer de nouvelles façons de traiter le cancer, le diabète et d'autres maladies.

Éliminer la complexité

Knight a travaillé avec Marvin Minsky dans le laboratoire d'IA du MIT en tant qu'élève du secondaire, a passé la majeure partie des années 1970 en tant que chercheur au MIT à travailler sur des projets matériels majeurs tels que la machine Lisp (le premier poste de travail commercial à utilisateur unique), puis a obtenu son Doctorat en 1983, spécialisé dans la conception de circuits intégrés. Après avoir passé beaucoup de temps à réfléchir aux limites de la loi de Moore - l'idée que les vitesses de traitement informatique devraient doubler environ tous les deux ans - il a trouvé une source improbable pour savoir vers qui les fabricants de puces pourraient se tourner pour les surmonter. À la fin des années 1980, il a lu un article du physicien de Yale, Harold Morowitz, qui proposait d'étudier un type de bactéries connues sous le nom de mycoplasmes, d'identifier la fonction de chacun de leurs gènes et protéines et de déterminer leur interaction. Les mycoplasmes sont parmi les bactéries les plus simples, avec seulement environ 500 à 700 gènes. Knight s'est rendu compte que la biologie n'était pas aussi désespérément complexe qu'il l'avait imaginé ; il y avait des systèmes vivants si simples que l'on pouvait deviner de manière plausible comment leurs parties fonctionnent et travaillent ensemble. Il a commencé à se demander s'il pouvait utiliser ces bactéries comme de minuscules usines, en supprimant tous les gènes qui semblaient inutiles et en ajoutant des gènes pour les traits souhaités, des traits qui pourraient les aider à produire des médicaments, des biocarburants ou des puces informatiques. (En fait, des chercheurs du J. Craig Venter Institute ont utilisé une version modifiée d'un génome de mycoplasme pour créer la première cellule synthétique et assembler un génome synthétique entier. Voir TR10 : Cellules synthétiques, p. 56 . )

Au moment où Knight a commencé à travailler avec des bactéries, dans les années 1990, il était devenu clair que la plupart des mycoplasmes étaient trop pathogènes pour la cote de sécurité de son laboratoire. Alors il a opté pour une autre simple bactérie, mésoplasme . Il a demandé à des chercheurs du Broad Institute de le séquencer pour lui et a depuis compris qu'il peut toujours fonctionner même après la suppression de plusieurs de ses gènes. Il travaille maintenant à la refactorisation du génome, qu'il décrit comme le déchirant en morceaux que nous comprenons, en retirant les morceaux que nous ne comprenons pas et en recodant pour simplifier les morceaux essentiels.

Toujours ingénieur, Knight s'efforce de rendre son système aussi simple que possible. Il y a cette différence culturelle entre la communauté des ingénieurs et la communauté scientifique, qui est la réaction à la complexité, dit-il, racontant une vieille blague pour illustrer son propos : le biologiste va au laboratoire le matin, fait une expérience, découvre qu'un système qu'elle regarde est deux fois plus compliqué qu'elle ne le pensait et dit : « Super ! Je dois rédiger un article ! » L'ingénieur entre dans le laboratoire, fait la même expérience, obtient le même résultat et dit : « Merde, comment puis-je m'en débarrasser ? »

Se débarrasser de la complexité aidera les futurs concepteurs de cellules à réaliser un autre avantage de l'ingénierie électrique : la capacité de concevoir, tester et construire le plus rapidement possible. L'efficacité de l'ingénierie est souvent déterminée par la rapidité avec laquelle on peut contourner cette boucle [conception-test-construction], explique Knight. Si vous êtes un ingénieur logiciel, cette boucle est très, très rapide. Cela peut prendre deux minutes… Si vous êtes biologiste, cette boucle, pour le moment, dure une semaine à un mois. Vous essayez de comprendre comment assembler ces morceaux d'ADN, et lorsque vous avez terminé, vous avez peut-être un bon moyen de le tester, et peut-être pas. Il ajoute que la rareté de bons outils pour déterminer ce qui se passe dans les cellules limite également l'efficacité du processus de conception.

Standardisation

Le rythme parfois glacial de la biologie moléculaire traditionnelle a découragé Knight lorsqu'il a commencé à essayer de concevoir des organismes modifiés. J'ai réalisé que chaque fois que je voulais faire une expérience, cela se transformait en deux expériences, dit-il. Il y avait l'expérience que je voulais faire, et il y avait une autre expérience associée à la construction du morceau d'ADN dont j'avais besoin. La chose frustrante d'un point de vue technique était que chaque fois que quelqu'un faisait cela, il le faisait d'une manière différente. L'une des raisons était liée aux enzymes utilisées pour extraire l'ADN à des points spécifiques afin d'extraire un gène souhaité : les chercheurs seraient motivés par les accidents des sites d'enzymes de restriction présents dans des morceaux d'ADN naturel, dit-il. Ils seraient motivés par les enzymes qu'ils avaient dans le congélateur, ou celles que leur mentor leur avait montré comment les utiliser il y a cinq ans.

Cette frustration a conduit Knight à développer le concept de pièces BioBrick - des morceaux d'ADN standardisés qui peuvent être joints selon différentes combinaisons et introduits dans une bactérie hôte afin qu'elle effectue une tâche spécifique. La collection de ces gènes, connue sous le nom de Registry of Standard Biological Parts, est calquée sur un catalogue de 1 000 pages appelé TTL Data Book, qui répertorie des centaines de composants de circuits. Les ingénieurs électriciens qui souhaitent construire des circuits TTL (logique transistor-transistor) peuvent se référer au livre et choisir les éléments dont ils ont besoin pour réaliser une fonction particulière. Knight et Rettberg espéraient que le même principe pourrait être appliqué à la conception biologique. Comme l'a dit Rettberg, des systèmes biologiques simples peuvent-ils être construits à partir de pièces interchangeables standard et exploités dans des cellules vivantes ? Ou la biologie est-elle simplement si compliquée que chaque cas est unique ? Maintenant, dit-il, nous savons que vous pouvez, parfois ; et non, la biologie n'est pas toujours trop compliquée. Parfois, c'est le cas, parfois vous êtes trompé par quelque chose auquel vous n'avez pas pensé, mais la même chose se produit lors de l'écriture d'un programme [informatique].

Comme Knight a exposé le concept dans un article de 2003, chaque BioBrick est un morceau d'ADN qui comprend un gène associé à un trait spécifique. Pour en créer un, vous entrez la séquence du gène souhaité dans une machine de synthèse d'ADN, qui enchaîne les nucléotides dans le bon ordre. Le BioBrick est coiffé aux deux extrémités de séquences d'ADN qui lui permettent d'être connecté à d'autres parties. Ensuite, il est intégré dans un morceau d'ADN circulaire appelé plasmide, qui peut être inséré dans une cellule bactérienne. Les BioBricks sont conçues de manière à pouvoir être facilement combinées en circuits plus grands ou en séries de gènes qui induisent une cellule bactérienne à exécuter des fonctions complexes telles que briller lorsqu'elle est exposée à un certain produit chimique. L'entreprise de Knight, Ginkgo Bioworks, conçoit actuellement de nouvelles BioBricks, automatise l'assemblage d'ADN et poursuit des applications telles que la production de carburant.

La meilleure preuve que cette approche fonctionne, selon Rettberg, est que les équipes de premier cycle peuvent l'utiliser avec succès pour concevoir un large éventail de projets en quelques mois pour la compétition internationale de machines génétiquement modifiées, ou iGEM. Le concours, désormais organisé chaque année au MIT, est né d'un cours IAP de janvier 2003 imaginé par Rettberg, Knight, le professeur Gerald Sussman '68, PhD '73 et Drew Endy, un ancien professeur assistant du MIT maintenant à Stanford.

Au cours de ce premier IAP, les étudiants ont proposé des conceptions intrigantes, mais n'ont pas fini de construire leurs machines car il a fallu trop de temps pour synthétiser l'ADN. Pourtant, le cours a été répété l'année suivante, et la première compétition officielle a eu lieu à l'été 2004, attirant cinq équipes. Depuis, l'événement n'a cessé de se développer : en novembre dernier, 130 équipes ont présenté des projets. Des équipes de premier cycle ont construit un détecteur d'arsenic, des bactéries capables de détecter et de nettoyer les polluants environnementaux tels que le toluène, et un vaccin contre Helicobacter pylori , une bactérie qui peut provoquer des ulcères. Aucun de ces projets n'a atteint le stade de la viabilité commerciale, mais une société appelée Lumin Sensors prévoit de tester le détecteur d'arsenic, construit par une équipe de l'Université d'Édimbourg, pour une utilisation en Inde.

Des projets plus légers ont inclus des bactéries qui brillent dans le noir ou sentent la menthe. En quelques mois seulement, les équipes peuvent construire des systèmes qui auraient pu prendre des années en utilisant des techniques traditionnelles de génie génétique. Personne n'a été capable de faire ce genre de choses auparavant, dit Rettberg. Les enfants savent tous qu'ils fabriquent quelque chose de nouveau et que leurs professeurs, leurs parents et leurs frères aînés n'avaient aucune idée que n'importe qui pouvait le faire.

En seulement sept ans, les étudiants d'iGEM ont contribué des milliers de pièces au Registre des pièces biologiques standard, qui compte désormais plus de 7 000 entrées. Ce registre est l'une des nombreuses normes de biologie synthétique existantes, mais Knight dit qu'il est plus important de suivre les normes que d'essayer de faire en sorte que tout le monde utilise la même. En passant un peu de temps au départ à normaliser les morceaux d'ADN, dit-il, vous vous placez dans une position où l'assemblage de morceaux d'ADN est complètement simple, sans réflexion, facile à automatiser et ne devient pas une expérience. en soi.

Applications du monde réel

Ron Weiss, qui a étudié l'informatique au MIT, a été attiré par la biologie synthétique par la perspective de développer de nouveaux traitements médicaux. En tant qu'étudiant diplômé, il a créé certains des premiers circuits biologiques (dont les parties seraient plus tard inscrites dans le registre), dont certains permettent aux cellules de communiquer avec leurs voisines. Il a également développé des circuits pour démontrer le concept de Knight d'un onduleur biologique, comparable à un onduleur électronique, qui prend un signal d'entrée et produit la sortie opposée. Dans les cellules, un inverseur peut être créé à l'aide d'une protéine répresseur, qui se lie à l'ADN et bloque la transcription d'un gène spécifique.

Après avoir terminé son doctorat, Weiss a rejoint la faculté de Princeton, où il a commencé à travailler sur les cellules de mammifères. C'est alors que ses recherches ont commencé à attirer l'attention des biologistes. Quand j'ai commencé à donner des conférences sur les résultats que nous obtenions dans le travail sur les mammifères, les gens ont eu tellement de facilité à se connecter au travail et à comprendre pourquoi nous voulons pouvoir faire ces choses, se souvient-il. Quand je dis que je peux programmer des cellules souches pour qu'elles se différencient en types cellulaires particuliers à l'aide de ces règles et programmes élaborés et sophistiqués, ils pourraient en fait voir pourquoi cela pourrait être pertinent.

Le laboratoire de Weiss au MIT travaille maintenant sur la programmation génétique des cellules souches pour qu'elles se transforment en cellules bêta pancréatiques, les cellules productrices d'insuline qui manquent aux diabétiques de type 1. Nous avons un programme génétique complexe qui fait passer ces cellules à travers une variété de phases pour imiter ce qui se passe dans l'embryogenèse, dit Weiss. Nous l'avons fait dans des cellules souches embryonnaires de souris, il semble que cela fonctionne, et maintenant j'ai un postdoctorant qui travaille sur une version de cellules souches embryonnaires humaines de cela.

Son laboratoire conçoit également des cellules qui détecteraient et tueraient les agents pathogènes, formant quelque chose comme un système immunitaire artificiel. Et il travaille sur des circuits génétiques, peut-être à incorporer dans les cellules par des virus inoffensifs, qui pourraient détecter et tuer les cellules tumorales. Ce sont pourtant des objectifs à très long terme. Je pense que cela va prendre plus de temps que prévu, dit Weiss. Ce sont tous des systèmes très compliqués. Mais je pense que cela va avoir un impact significatif sur notre capacité à résoudre les problèmes médicaux. Cette notion que nous pouvons potentiellement fabriquer des cellules dans notre corps afin que nous puissions traiter des maladies ou des conditions médicales de manière programmable est vraiment excitante pour moi.

Le biologiste synthétique Christopher Voigt, que le MIT a récemment recruté à l'Université de Californie à San Francisco, codirigera le nouveau centre. La recherche de Voigt implique la programmation E. coli les cellules agissent comme des capteurs qui réagissent au toucher, à la lumière et aux odeurs ; il a déjà créé des versions qui réagissent à la lumière en changeant de couleur, lui permettant de générer des images dans une boîte de Pétri de bactéries.

Un autre membre, le professeur assistant Timothy Lu '03, MNG '03, PhD '08, poursuit des applications industrielles et médicales pour la biologie synthétique. En tant qu'étudiant diplômé de la division des sciences et technologies de la santé de Harvard-MIT, Lu a travaillé avec le professeur de l'Université de Boston James Collins pour concevoir un bactériophage capable d'attaquer les films de bactéries qui s'accumulent sur les surfaces. Le bactériophage (un type de virus qui cible les bactéries) tue 99,997% des cellules de ces biofilms, qui sont très difficiles à éradiquer avec les antibiotiques traditionnels.

Novophage, la société que Lu a cofondée avec Collins et d'autres pour commercialiser la technologie, développe des applications industrielles pour leur virus de lutte contre les biofilms. Ils collaborent également avec l'armée américaine pour concevoir des virus qui pourraient tuer les bactéries résistantes aux antibiotiques chez les soldats revenant d'endroits comme l'Irak et l'Afghanistan. Ces gars rentrent chez eux avec des blessures par souffle qui sont contaminées par des insectes très résistants aux antibiotiques, dit Lu. Une bactérie appelée Acinetobacter baumannii , ce qui peut provoquer une pneumonie et des infections de la circulation sanguine et des voies urinaires.

Lu dit que l'intérêt du premier cycle pour la biologie synthétique augmente rapidement, et il espère que le nouveau centre contribuera à attirer encore plus d'étudiants dans le domaine. C'est une discipline intéressante parce que les étudiants ne viennent généralement pas au MIT exposés, puis ils en entendent en quelque sorte parler au fur et à mesure de leurs cours, dit-il. C'est pourquoi le centre est une très bonne idée, pour essayer d'augmenter la visibilité de la discipline sur le campus. Nous espérons que cela va devenir quelque chose d'assez cool.

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