La fabrique de gènes

Lors d'une journée aux couleurs vives l'automne dernier, un groupe anxieux d'architectes, d'entrepreneurs, d'ingénieurs et de scientifiques s'est réuni dans le sous-sol d'un immeuble à Rockville, Maryland. La structure était censée être convertie d'ici la fin de l'année en la plus grande usine de séquençage d'ADN dans le monde, mais la réunion de planification a confirmé que les problèmes s'accumulaient. La livraison d'un générateur de vapeur crucial avait pris du retard. Et il n'était même pas clair que les murs de l'immeuble de bureaux de 113 000 pieds carrés, qui avaient été occupés par un entrepreneur de la défense mais qui étaient maintenant éviscérés, accueilleraient tous les tuyaux et câbles nécessaires pour faire fonctionner les nouveaux laboratoires.

Les entrepreneurs étaient mal à l'aise, mais si les scientifiques présents dans la salle ne débordaient pas de sympathie, c'est parce qu'ils s'étaient fixés une tâche encore plus grande avec une chronologie encore plus dramatique. Les chercheurs travaillent pour Celera Genomics Corp., une société créée en mai dernier avec l'intention de décoder d'ici 2001 toutes les 3,5 milliards de lettres chimiques de l'ADN qui composent l'hérédité humaine. Celera a l'intention non seulement de battre de quatre ans la date cible initialement fixée par le projet du génome humain financé par l'État (qui a débuté en 1990), mais aussi de terminer le travail pour un dixième du prix de 3 milliards de dollars du projet gouvernemental.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mars 1999

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Si ces réclamations provenaient d'une autre entreprise, elles pourraient être rejetées comme scandaleuses. Mais Celera est l'enfant de Perkin-Elmer, la société d'instruments qui monopolise le marché des machines de séquençage d'ADN automatisées, et de J. Craig Venter, le chercheur en génome le plus controversé et le plus productif au monde. Les partenaires ont accepté de donner à TR un aperçu de la substance de leur plan ambitieux et ont permis à un journaliste de suivre la création de l'installation de Celera.

Une grande partie de l'expertise scientifique qui alimente Celera provient de l'Institute for Genomic Research (TIGR), un laboratoire indépendant que Venter a fondé en 1992. À TIGR, également à Rockville, le personnel de Venter a utilisé une méthode de tir rapide connue sous le nom d'approche aléatoire pour décoder les génomes de près d'une douzaine de bactéries. Aucun autre laboratoire n'a produit plus de lectures de séquences d'ADN des longues chaînes de lettres chimiques désignées A, C, G et T qui composent la molécule d'ADN. Là encore, l'approche de Venter n'a jamais été essayée sur quelque chose d'aussi gros que le génome humain, qui contient environ 1 000 fois plus d'ADN que votre microbe moyen. Il est difficile… d'en saisir toute l'ampleur, déclare Venter, aujourd'hui président de Celera. Je peux gérer des millions, au moins, parce que je les dépense tout le temps maintenant.

L'argent derrière Celera vient de Perkin-Elmer, un géant des instruments pour lequel le projet est un changement radical vers le contrôle des données plutôt que la fabrication et la vente d'équipements. La décision des responsables du siège de Perkin-Elmer à Norwalk, Connecticut, de mettre un nouveau type de séquenceur d'ADN puissant à leur service, a stupéfié l'industrie de la biotechnologie et fait des comparaisons avec le passage de Microsoft à la publication en ligne. Les partenaires ont anticipé les craintes de détournement du génome en promettant de remettre les données gratuitement (mais avec quelques mises en garde) au secteur public. Entre la méthode du fusil de chasse de Venter et les poches profondes et les nouvelles machines de Perkin-Elmer, Celera semble pouvoir être à la hauteur de son nom : un jeu sur le mot célérité, pour rapidité d'action.

Visite de l'usine

Aujourd'hui, quatre mois et de nombreuses nuits après la réunion de planification anxiogène, la fabrique de gènes est terminée. Le seul signe que le bâtiment de verre contient ce qui est sans doute le laboratoire de biologie moléculaire le plus prolifique au monde sont deux énormes unités de climatisation accroupies dans l'herbe. Les refroidisseurs, trop lourds pour s'asseoir au sommet du bâtiment, refroidissent 1 600 mètres cubes d'air par minute et le dirigent vers le cœur de l'installation, où 257 nouvelles machines de séquençage bourdonnent en rangées ordonnées.

Les machines grises à hauteur de taille 3700 ont été développées sur deux ans dans le quasi-secret par Applied Biosystems, filiale de Perkin-Elmer sur la côte ouest. Une seule de ces machines, dit Venter, a plus de capacité de séquençage que de nombreux grands laboratoires universitaires, dont la plupart s'appuient sur un modèle antérieur appelé 377. Au total, calcule Venter, Celera peut décoder presque autant d'ADN en une journée que tous les principaux laboratoires financés par le projet du génome humain produit l'année dernière.

C'est ce qu'il y a à l'intérieur de ces nouvelles machines qui les rend si rapides. Chacun contient 104 capillaires en verre : des tubes creux et fins comme des cheveux que la machine peut remplir automatiquement avec un polymère sirupeux et ensuite nettoyer avec une solution diluée d'acide nitrique. Le travail du séquenceur est de trier les fragments d'ADN par taille. Entraînés par un champ électrique, les petits fragments se déplacent plus rapidement dans les tubes que les gros. Les capillaires remplacent les encombrantes plaques de gel toxique de la taille d'un plateau de cafétéria utilisées dans les modèles précédents, qui devaient être changées par un technicien qualifié toutes les quelques heures. Rempli de produits chimiques et de plus de 1 000 échantillons d'ADN, le 3700 automatisé peut fonctionner pendant près de deux jours sans intervention humaine, explique Mark Adams, le jeune scientifique qui supervise l'opération de séquençage de Celera. À pleine capacité, Celera s'attend à lire 100 millions de lettres de séquence d'ADN chaque jour.

Plus de la moitié du personnel de Celera, soutenu par huit serveurs informatiques de 6 pieds et 64 bits situés dans un bâtiment adjacent, se consacrera à décrypter l'avalanche de données en streaming provenant des installations de séquençage. L'analyse est dirigée par Gene Myers, un expert en analyse de modèles en congé du département d'informatique de l'Université d'Arizona.

Le défi auquel le personnel de Myers sera confronté est quelque chose comme le remontage d'une Bible complète à partir de 10 exemplaires qui ont été déchirés en petits morceaux. Étant donné que les machines de séquençage ne peuvent lire que de courtes portions d'ADN, le génome doit d'abord être divisé en plus petits morceaux. Les scientifiques de Celera ont commencé par prélever l'ADN d'un certain nombre de cellules humaines et par le déchiqueter chimiquement en millions de fragments aléatoires se chevauchant de quelques milliers de lettres. Pour conserver une bibliothèque de ces fragments, les scientifiques les ont greffés dans des colonies de bactéries E. coli. En suivant la stratégie du fusil de chasse, Celera séquencera ensuite 500 lettres de chaque extrémité d'un fragment, en répétant le processus sur l'ensemble de la bibliothèque, ce qui produira 70 millions de séquences distinctes.

La tâche de Myers est de développer des algorithmes capables d'assembler ces éléments une fois leur code lu. Bien que cela ressemble à un travail simple - alignez simplement les lettres qui se chevauchent et commencez à coller - c'est tout sauf. Prenez la Bible déchirée. Des expressions courantes telles que Tu ne le feras pas… ou Bénis soient-ils… rendraient le remontage du bon livre beaucoup plus difficile car certains fragments semblent se chevaucher alors qu'en fait, ce n'est pas le cas. Le génome est également bourré de séquences répétées, certaines courtes, d'autres longues, certaines présentes à un million d'exemplaires, d'autres répétées seulement deux fois.

Pour cette raison, les scientifiques travaillant sur le projet du génome humain financé par l'État ont laborieusement cartographié le génome avant de commencer à séquencer. À peu près comme pour déterminer où vont les chapitres de la Bible avant de déchirer les pages, cela signifie qu'ils devront ensuite rassembler de nombreuses petites piles, plutôt qu'une seule énorme. Elbert Branscomb, directeur du Joint Genome Institute du Department of Energy, pense que le puzzle de 70 millions de pièces de Celera pourrait être insoluble. À quel point ce sera un problème, personne n'a même une idée assez bonne, dit Branscomb.

Myers soutient que la clé de la solution est que les pièces du puzzle de Celera viennent par paires soulevées des extrémités d'un seul fragment, dont ils connaissent la longueur totale. Les paires, pense-t-il, limiteront suffisamment le problème pour arriver à une solution unique. Des scientifiques extérieurs disent que la stratégie de Celera serait impossible sans les séquences déjà développées dans des laboratoires financés par des fonds publics, mais Myers maintient que le puzzle pourrait être résolu de toute façon. L'information extérieure n'est qu'un expédient, dit-il. Si nous devions faire un génome sur lequel nous n'avons aucune donnée, disons l'herbe des Bermudes, nous pourrions faire une opération autonome.

Que l'opération de Celera représente ou non une science de premier ordre fait toujours l'objet d'un débat au sein de la communauté du génome. Sans aucun doute, la version du génome de Celera aura de très nombreuses petites lacunes. Une photocopie, si vous voulez, qui donne une vue d'ensemble et la plupart des détails, mais peut être en deçà de la norme de haute fidélité envisagée par le Human Genome Project.

Après le génome

Les données, cependant, seront suffisamment bonnes pour être mises sur le marché. Venter a déclaré qu'il donnerait gratuitement la séquence brute en la téléchargeant dans le référentiel public en ligne connu sous le nom de GenBank. Alors que reste-t-il à vendre ? Beaucoup. Les bénéfices de Celera peuvent provenir en grande partie de l'octroi de licences à des sociétés pharmaceutiques pour une base de données qui regroupe la séquence sous une forme plus accessible. Les sociétés pharmaceutiques exploiteront les données pour les gènes avec des applications médicales, bien que Venter affirme que Celera va d'abord trouver et breveter plusieurs centaines de gènes pour elle-même. Celera conservera également des informations sur les lettres d'ADN uniques qui varient d'une personne à l'autre, appelées polymorphismes nucléotidiques uniques. Ces différences peuvent prédire la susceptibilité d'une personne à la maladie ou aux réactions toxiques aux médicaments. Et au-delà du génome humain, il y en a d'autres. Monsanto, la grande entreprise agricole, a déjà suggéré que Celera s'empare du génome du riz.

Comme Venter aime à le souligner, terminer la séquence humaine n'est que le début d'une nouvelle ère dans laquelle les données peuvent être utilisées pour améliorer la santé humaine. Si les plans de Celera fonctionnent, cette époque post-génomique arrivera plus tôt que prévu. En fait, Celera a avancé le calendrier de lecture du génome avant qu'un seul mur ne soit renversé pour la rénovation de l'usine. Réagissant à la concurrence inattendue, les directeurs du projet du génome humain financé par l'État ont annoncé qu'ils prévoyaient désormais de mettre fin à l'ensemble du projet d'ici 2003, deux ans plus tôt que le calendrier initial prévu. Et en 2001, lorsque Celera a promis de dévoiler ses données, les scientifiques du secteur public se sont engagés à présenter un projet de travail correspondant. Génome public ou privé, la célérité est décidément à l'ordre du jour.

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