Comment refaire la vie

D'un mouvement précis, Li Ma, technicienne au J. Craig Venter Institute de Rockville, dans le Maryland, pipette une solution rouge cerise de cellules bactériennes dans un flacon contenant une solution claire de boucles d'ADN fragiles. Ces boucles, les plus gros morceaux d'ADN jamais assemblés en laboratoire, sont chacune capables de contrôler toutes les fonctions ordinaires d'une cellule. Mais l'ADN ne provient d'aucune bactérie : au lieu de cela, les scientifiques l'ont reconstitué à partir de produits chimiques en bouteille. Le processus qu'ils ont récemment mis au point pour ce faire est le premier à produire des cellules synthétiques capables de survivre. Certaines des cellules bactériennes avec lesquelles Ma travaille fusionneront dans la solution, engloutissant le génome synthétique, puis se répliqueront et vivront sous son contrôle.

Une solution de cellules, dont certaines contiennent le nouveau génome, est mélangée à un milieu de culture à base de gel contenant un antibiotique. Ensuite, il est versé dans des boîtes de Pétri et placé dans un incubateur. Seules les cellules contenant le génome synthétique portent un gène qui les protège de l'antibiotique. Les points bleus sont des colonies de bactéries désormais contrôlées par le génome synthétique transplanté.

Le génie génétique conventionnel est un long processus dans lequel les gènes sont modifiés un par un, souvent au cours des générations successives d'organismes. Cela fait de changer radicalement un génome une proposition intimidante. Mais les techniques nouvellement développées permettent aux chercheurs d'éditer des génomes sur un ordinateur, en soustrayant ou en ajoutant des gènes en les coupant et en les collant littéralement dans un fichier. Cela ressemble plus à du traitement de texte qu'au travail de laboratoire traditionnel impliqué dans la culture et le criblage de générations d'organismes. Les chercheurs peuvent ensuite effectuer l'équivalent génétique de l'impression du fichier, à quel point ils sont en mesure de transplanter le résultat - un nouveau génome - dans des cellules existantes. Ces étapes accélèrent considérablement le processus d'ingénierie ; cela peut prendre quelques semaines pour terminer des expériences qui auraient auparavant pris des mois ou des années.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de septembre 2010

• Voir le reste du numéro
• S'abonner

En fin de compte, les chercheurs souhaitent utiliser la biologie synthétique pour concevoir des microbes qui produisent très efficacement des vaccins, des carburants propres et d'autres produits. Mais ils ne peuvent pas concevoir de nouveaux génomes à partir de zéro, car ils ne savent pas encore assez quels gènes et réseaux de gènes sont nécessaires pour maintenir la vie et produire un produit souhaité. Vous pouvez supprimer un gène et la cellule vit ; enlevez une seconde et elle meurt ; puis retirez-en un troisième et il revit, explique Daniel Gibson, professeur agrégé à l'institut. Ainsi, les chercheurs Venter expérimentent la séquence d'un génome naturel. Ils espèrent en savoir plus sur le fonctionnement des génomes et des cellules en supprimant et en ajoutant rapidement des gènes dans différentes combinaisons, en incorporant les nouveaux génomes dans les cellules, puis en observant comment ces génomes fonctionnent ou ne fonctionnent pas.

Révision génétique

Le processus commence sur l'ordinateur, où Gibson extrait le génome de la bactérie Mycoplasme mycoïde . C'est relativement simple, comprenant seulement 1 078 809 paires de bases d'ADN qui composent environ 900 gènes. (En comparaison, E. coli les bactéries ont environ 4 400 gènes.) Gibson et ses collègues ont apporté quelques changements : ils ont supprimé 14 gènes de la séquence et en ont ajouté d'autres. Pour créer un filigrane distinguant leur création, ils ont développé un code qui convertit l'anglais en l'alphabet de quatre lettres de l'ADN et l'ont utilisé pour modifier le génome, incorporant leurs noms, une URL, quelques phrases et une adresse e-mail dans le génome.

Le groupe de Gibson utilise ensuite un logiciel pour diviser le génome modifié en 1 100 sections, chacune d'environ 1 080 paires de bases de long, une taille qui peut être réalisée de manière économique avec un synthétiseur d'ADN, une machine qui assemble des tronçons d'ADN à partir de paires de bases individuelles fournies dans des solutions en bouteille. Enfin, les chercheurs font appel à des cellules de levure pour assembler ces longues sections, un travail que les machines ne peuvent pas faire.

Gibson s'agenouille devant un réfrigérateur dans le laboratoire et sort 12 boîtes en plastique, dont chacune contient 96 puits remplis de fragments d'ADN basés sur les conceptions modifiées par ordinateur. Il les empile sur un banc et dit : C'est le génome entier en 1 100 morceaux. Gibson utilise une pipette pour rassembler 10 fragments dans l'ordre et les ajoute dans un petit tube en plastique, avec un fragment supplémentaire d'ADN qui aidera à rassembler la séquence en une boucle. Ensuite, il ajoute des cellules de levure qui ont été traitées pour leur permettre de récupérer les morceaux d'ADN. Chaque cellule de levure pense que ces morceaux d'ADN font partie de son propre chromosome, et il est cassé, dit-il. Il veut les remettre ensemble. Les chercheurs ont conçu les fragments d'ADN de sorte que ceux à lier ensemble aient des extrémités avec des séquences correspondantes. La levure reconstitue les 10 fragments en faisant correspondre ces séquences pour produire des boucles d'ADN de 10 000 paires de bases chacune. La répétition du processus lie les séquences de 10 000 paires de bases pour former des segments de 100 000 paires de bases du génome. Après une troisième étape de pooling, les levures ont cousu l'ensemble du génome synthétique. En utilisant des méthodes établies, les génomes synthétiques sont extraits de la levure.

La manipulation de l'ADN extrait demande un grand soin : même un petit génome est une molécule gigantesque et fragile. Il va se briser en 100 morceaux si vous le regardez mal, dit Gibson. S'il était suspendu dans une solution liquide, l'ADN pourrait être détruit simplement par le mouvement du liquide. Ainsi, Gibson immobilise les génomes dans de l'agarose, un gel dérivé d'algues couramment utilisé comme support pour les microbes. Enfermés dans ce culot protecteur, ils peuvent être stockés en toute sécurité jusqu'à ce que les chercheurs soient prêts à les transplanter dans des cellules receveuses.

Petite greffe

Dans un laboratoire au bout du couloir, Ma a préparé les cellules qui recevront la nouvelle séquence : une espèce de bactérie appelée Mycoplasma capricolum qui est étroitement liée à l'espèce dont est dérivé le génome synthétique. Alors qu'une enzyme qui dégrade l'agarose liquéfie les pastilles contenant de l'ADN dans un tube à essai, Ma obtient un autre tube à essai et mélange les bactéries avec du chlorure de calcium et du polyéthylène glycol, un cocktail qui, selon les chercheurs, rend la surface des cellules malléable et collante. Maintenant, c'est une question de chance et d'une main ferme. Ma pipette une partie du mélange cellulaire dans le flacon contenant les boucles du génome synthétique. Les cellules collantes commencent à fusionner les unes avec les autres. Pour conserver leur forme sphérique après fusion, ils doivent prendre en volume la solution qui les entoure. Au fur et à mesure que cela se produit, certaines cellules - environ une sur 100 000 - absorbent également le génome synthétique. Le résultat est une sorte de supercellule avec trois génomes – le génome synthétique et un de chacune des deux cellules. La supercellule se divise ensuite en trois cellules plus petites, dont l'une contient le génome synthétique.

Ma étale la solution cellulaire sur des plaques de culture contenant un antibiotique auquel seules les cellules avec le génome synthétique sont résistantes (au cours du processus d'édition du génome, les chercheurs ont ajouté un gène qui les rend imperméables). Ces cellules vivront, se développeront et se diviseront sous le contrôle du nouveau génome. Le reste meurt, laissant derrière lui une colonie pure de cellules synthétiques.

La prochaine étape pour les chercheurs de l'Institut Venter consiste à utiliser leurs techniques d'édition, de synthèse et de transplantation génomique pour concevoir et tester des génomes avec de moins en moins de gènes. L'objectif est de créer une cellule minimale, avec seulement les gènes dont elle a besoin pour survivre. Une telle cellule pourrait être plus facile qu'une cellule naturelle à modifier par génie génétique.

Les méthodes des chercheurs sont actuellement très coûteuses : il en coûte de 300 000 à 500 000 $ pour fabriquer et transplanter un génome synthétique si les chercheurs synthétisent l'ADN en interne, ou environ trois fois plus s'ils l'achètent à un fournisseur extérieur. Pourtant, le prix de la synthèse d'ADN est en baisse et pourrait continuer à baisser encore plus à mesure que la demande augmente et que la technologie s'améliore. Si cela se produit et que les techniques de construction du génome s'avèrent aussi utiles que les chercheurs de Venter l'espèrent, davantage de personnes commenceront à adopter leurs méthodes, déclare James Collins, professeur de génie biomédical à l'Université de Boston.

Il s'agit d'une avancée significative pour la biologie synthétique, dit Collins. Maintenant, nous devons voir, quels sont les changements qui peuvent être introduits dans le génome ?

cacher