Cellule de redémarrage du génome synthétique

Au terme d'un projet de 15 ans, les scientifiques du Institut J. Craig Venter ont conçu la première cellule contrôlée par un génome synthétique.

Partir de zéro : Les scientifiques ont redémarré des cellules bactériennes en transplantant une version synthétique du génome de Mycoplasma mycoides fabriqué en laboratoire. Le génome synthétique comprend un gène marqueur qui produit un composé bleu, de sorte que les cellules synthétiques forment des colonies bleues (en haut). Le génome naturel de M. mycoides ne possède pas ce gène, de sorte que les cellules de type sauvage forment des colonies blanches (en bas).

C'est la première fois que l'information d'une séquence du génome est remise à la vie, dit Chris Voigt , un biologiste synthétique de l'Université de Californie à San Francisco, qui n'était pas impliqué dans le projet. C'est vraiment remarquable.

À l'aide d'une méthode développée en 2008, les chercheurs, dirigés par le pionnier de la génomique Craig Venter, ont synthétisé le génome d'une minuscule bactérie appelée Mycoplasme mycoïde , contenant un peu plus d'un million de paires de bases d'ADN. Ensuite, ils ont transplanté le génome synthétique dans une bactérie apparentée, Mycoplasma capricolum , dans un processus qu'ils avaient précédemment mis au point en utilisant des chromosomes non synthétiques.

Une fois que les cellules receveuses ont incorporé le génome synthétique, elles ont immédiatement commencé à exécuter les instructions codées dans le génome. Les cellules fabriquées uniquement M. mycoides protéines, et en quelques cycles d'auto-réplication, toutes les traces de l'espèce réceptrice avaient disparu. Les résultats ont été publié Jeudi dans l'édition en ligne de la revue La science .

Pour distinguer leur génome synthétique de la version naturelle, les chercheurs ont codé une série de filigranes dans la séquence. Ils ont commencé par développer un code pour écrire l'alphabet anglais, ainsi que la ponctuation et les chiffres, dans la langue de l'ADN - une clé de décodage est incluse dans la séquence elle-même. Ensuite, ils ont écrit dans leurs noms, quelques citations et l'adresse d'un site Web que les gens peuvent visiter s'ils réussissent à déchiffrer le code.

En termes de création de vie synthétique, ce projet est une preuve de principe : à part les filigranes et une poignée de délétions de gènes pour réduire la capacité de l'espèce à provoquer des maladies, le génome synthétique recrée essentiellement un génome naturel. Venter espère qu'à l'avenir, la technologie génomique synthétique pourra être utilisée pour concevoir et développer des organismes entièrement nouveaux, avec de nombreuses applications pratiques.

Venter et ses collègues travaillent avec Novartis et les National Institutes of Health pour synthétiser des cassettes – des groupes de gènes pouvant être insérés dans un génome synthétique – pour chaque virus de la grippe connu dans le but de rationaliser le processus de fabrication du vaccin. Ils envisagent un système où, si une nouvelle souche telle que H1N1 émergeait, le développement d'un vaccin serait aussi simple que de mélanger les gènes codant les fragments viraux pertinents dans un génome synthétique. Cela pourrait alors donner une cellule qui pourrait être utilisée pour fabriquer rapidement le produit.

Les chercheurs collaborent également avec ExxonMobil transformer les cellules d'algues en usines à combustible vivantes qui convertiraient efficacement le dioxyde de carbone en hydrocarbures pouvant être traités dans les raffineries. Nous n'avons pu trouver aucune cellule existante qui effectue ce processus de manière suffisamment efficace pour le rendre économiquement viable, explique Venter.

D'autres applications potentielles incluent la conception de microbes synthétiques qui pourraient purifier l'eau ou fabriquer des produits chimiques ou des ingrédients alimentaires. Je prédis que dans une décennie, toute cellule utilisée dans les processus industriels sera fabriquée de manière synthétique, dit Venter.

À cette fin, les chercheurs prévoient de développer à terme une sorte de cellule receveuse universelle qui pourrait démarrer n'importe quel génome de donneur. Le processus de transplantation s'est avéré être l'aspect le plus techniquement difficile de la construction d'une cellule synthétique, dit Venter, et il serait idéal d'éviter un nouveau cycle de dépannage pour chaque nouveau système développé.

Pour l'instant, dit Voigt, le plus grand obstacle à la réalisation du potentiel de la génomique synthétique est l'écart entre notre capacité à synthétiser l'ADN et notre capacité à le concevoir. Ce sera la prochaine génération de recherche, dit-il. La technologie autour de la construction de l'ADN est maintenant mature, et ce sera la boîte à outils pour la concevoir qui viendra ensuite.

Au-delà des applications pratiques, Venter espère également que les cellules synthétiques aideront à élucider le fonctionnement de base de la vie, permettant peut-être aux chercheurs de déchiffrer exactement ce que fait chaque composant d'une cellule bactérienne. Bien que les génomes d'innombrables organismes aient maintenant été séquencés, dit Venter, nous ne comprenons toujours pas pleinement comment fonctionnent même les formes de vie les plus simples. Nous voulons essayer de faire de l'une de ces cellules le système cellulaire le mieux compris en biologie, dit-il.

Venter souligne également ce que les cellules, alimentées par des génomes fabriqués en laboratoire à partir de quatre bouteilles de produits chimiques, sur la base d'instructions stockées sur un ordinateur, révèlent ce qu'est la vie. Il s'agit d'une avancée autant philosophique que technologique, dit-il. L'idée que cela est possible signifie que les cellules bactériennes sont des machines biologiques pilotées par logiciel. Si vous changez de logiciel, vous construisez une nouvelle machine. J'en suis toujours étonné.

Le développement met en évidence le fait que nous sortons de l'ère où les cellules et l'ADN doivent être physiquement transférés d'un endroit à un autre, dit Voigt, à une époque où la biologie est une science de l'information. Il serait désormais possible de séquencer le génome d'un organisme à San Francisco, d'envoyer la séquence par courrier électronique à travers le pays et de créer cet organisme dans un laboratoire du Maryland. Seule l'information est capable de reconstruire cet organisme et de le reconvertir en vie, explique Voigt.

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