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Comment faire une cellule artificielle
Le mois dernier, des chercheurs de l'Institut J. Craig Venter ont annoncé qu'ils avaient fabriqué la première cellule synthétique en rassemblant un génome fabriqué à partir de produits chimiques en bouteille et en le transplantant dans une cellule receveuse. Cette réalisation historique représente un nouveau niveau de contrôle sur la substance de la vie au niveau moléculaire et qui pourrait conduire à des moyens de fabriquer des cellules qui produisent des vaccins en grande quantité et des carburants plus propres.
Cellules synthétiques : Les colonies bactériennes qui poussent sur ces boîtes de Pétri contiennent un génome modifié sur ordinateur puis reconstitué en laboratoire.
Bien que les chercheurs soulignent qu'il faudra des années avant que les scientifiques puissent démontrer le véritable potentiel de ces techniques pour concevoir la vie, ils utilisent maintenant les expériences pour accroître la compréhension fondamentale de la biologie cellulaire.
Lors d'une visite la semaine dernière des installations de l'institut à Rockville, dans le Maryland, où se déroulent les expériences, les scientifiques ont expliqué que la cellule synthétique a été créée à la suite d'un projet visant à apprendre à fabriquer une cellule avec le nombre minimum de gènes possible pour habitent. L'espoir est qu'en comprenant les principes de base de la vie cellulaire, nous pourrons faire en sorte que les cellules fabriquent plus de choses, dit Jean Verre , professeur à l'institut. Les cellules conçues pour fabriquer un produit chimique particulier le rendront plus efficace si les chercheurs peuvent éliminer tous les autres processus métaboliques non essentiels. J'ai toujours voulu savoir comment fonctionnent les cellules, et maintenant nous avons les outils, dit-il.
Une façon de déterminer quel est le génome minimal serait de commencer par un microbe avec lequel il est facile de travailler en laboratoire, comme la levure ou E. coli , et assommer chaque gène un à la fois. Mais ce processus prend beaucoup de temps. Au lieu de cela, les scientifiques de Venter commencent avec une séquence du génome d'une bactérie qui a déjà un très petit génome, le modifient sur l'ordinateur pour ajouter ou supprimer des gènes, puis le synthétisent à partir de produits chimiques, le transplantent dans une cellule et voient comment les changements affecter la fonction de la cellule. Construire un génome de cette manière accélère les recherches de l'institut sur les génomes minimaux, dit Daniel Gibson , professeur agrégé à l'Institut Venter.
La première étape de la fabrication d'une cellule synthétique consiste à concevoir le génome. Ce processus se déroule sur ordinateur, avec la séquence de 1 077 947 lettres qui composent le génome de la bactérie Mycoplasme mycoïde . Dans leurs premières expériences de démonstration, les chercheurs ont supprimé 15 gènes. Et pour créer un filigrane qui distingue le génome synthétique du génome naturel, ils ont également fait des ajouts. Les chercheurs ont codé leurs noms, une URL, quelques citations et une adresse e-mail dans l'alphabet de quatre lettres de l'ADN et l'ont ajouté au génome.
Il est aujourd'hui coûteux et chronophage de synthétiser de longs morceaux d'ADN en laboratoire. Les chercheurs ont donc utilisé un programme informatique pour découper le génome en 1 100 morceaux, chacun d'environ 1 080 paires de bases, ou lettres, de long. Le programme informatique a ajouté des séquences collantes à chaque extrémité de chaque tranche qui permettraient de reconstituer les pièces. Les chercheurs ont ensuite envoyé ces 1 100 modèles à une entreprise de synthèse d'ADN.
Les chercheurs de l'Institut recrutent ensuite des cellules de levure pour assembler les 1 100 fragments en un seul morceau d'ADN circulaire qui constitue le génome synthétique complet. Avant que la levure puisse faire son travail, le groupe de Gibson doit rendre les fragments d'ADN conviviaux pour la levure. Le groupe de Gibson ajoute d'abord à chaque ensemble de fragments d'ADN une courte séquence d'ADN qui tire les fragments dans une boucle et rend les fragments conviviaux pour les cellules de levure qui ont été traitées pour les rendre aptes à engloutir l'ADN.
Gibson combine les cellules de levure en solution avec dix types de fragments d'ADN, dont chacun constitue une séquence consécutive du Mycoplasme génome. Les cellules de levure font le travail de reconstituer les fragments. Ce processus est répété jusqu'à ce que la levure assemble des morceaux de plus en plus gros du génome. Finalement, certaines des cellules de levure auront constitué un génome synthétique complet. Après des tests pour vérifier qu'une colonie possède l'intégralité du génome bactérien, les chercheurs cultivent la levure dans un flacon pour leur permettre de se multiplier et de produire le génome en grande quantité.
L'étape suivante consiste à extraire le génome bactérien synthétique complet de la levure et à le transplanter dans des cellules bactériennes. Extraire le génome de la levure et le transporter est la partie la plus délicate du processus. Le génome du mycoplasme est relativement petit, mais c'est une énorme molécule. La force de cisaillement de l'eau se déplaçant autour des molécules d'ADN nues peut les séparer. Les chercheurs immobilisent donc l'ADN dans une pastille de gel et l'apportent à un autre laboratoire, où les cellules du receveur de greffe ont été préparées. Les cellules receveuses, de l'espèce Mycoplasma capricolum , sont un proche parent des cellules dont le génome est à la base du génome synthétique. Par essais et erreurs, les chercheurs ont découvert qu'il existe une partie particulière du cycle de croissance et de division des cellules au cours de laquelle elles sont le plus susceptibles d'absorber l'ADN étranger.
Faire en sorte que les cellules réceptrices s'approprient le génome synthétique est en partie une question de hasard. Un chercheur mélange les cellules receveuses avec une solution chimique pour rendre leurs surfaces fluides et collantes, puis ajoute les cellules à la solution d'ADN. Une fois mélangées, les cellules collantes commencent à fusionner les unes avec les autres. Afin de conserver une forme sphérique au fur et à mesure que leur surface augmente, les cellules prennent du volume à partir de la solution qui les entoure. Par chance, en fusionnant, certaines de ces mégacellules prennent des copies de la M. mycoides génome.
Laissées pendant environ trois heures, les cellules avec plus d'un génome se diviseront, créant un mélange de types cellulaires. Environ une cellule sur 100 000 possède le génome greffé, qui contient un gène de résistance aux antibiotiques. Lorsque la solution cellulaire est striée sur des plaques contenant l'antibiotique tétracycline, seules celles avec le génome transplanté survivent. Bien qu'ils appartenaient initialement à une espèce différente, les M. mycoides le génome prend le relais pour créer ce que les chercheurs appellent une cellule synthétique.
Les chercheurs vont maintenant utiliser ces techniques pour réduire progressivement le génome. Ils utilisent actuellement un logiciel pour concevoir de nouveaux génomes avec divers gènes supprimés, puis utilisent leur technique pour les synthétiser et les transplanter. Nous pouvons tester une quantité stupéfiante de possibilités dans une expérience, dit Glass. Cela leur permet de déterminer en quelques semaines plutôt qu'en années ce qui se passe lorsque, disons, 10 gènes d'une voie particulière sont exprimés à des niveaux variables ou éliminés.
Le développement de ces techniques a nécessité un financement d'environ 30 à 40 millions de dollars, principalement de la société Synthetic Genomics. Le coût principal de ces expériences provient du prix de la synthèse d'ADN, qui peut baisser à mesure que de plus en plus de chercheurs voient la promesse de ce type d'expériences. D'autres groupes ne le font pas à cause du coût et parce que les méthodes ont été difficiles, mais j'aimerais penser que nous simplifions les méthodes, dit Gibson. professeur à l'université de Boston James Collins est d'accord. Au fur et à mesure que les coûts baisseront, vous verrez un certain nombre de laboratoires commencer à synthétiser à cette échelle. Si cette technique est perçue comme utile, nous y arriverons sur les coûts.