Biologie de Synthèse

Introduction

Un nouveau monde s'ouvre à nous : celui de la biologie de synthèse. Elle pourrait apporter des thérapies plus efficaces, des médicaments moins chers, de nouveaux matériaux facilement recyclables, des biocarburants, des bactéries capables de dégrader les substances toxiques de l'environnement.

La biologie de synthèse est un domaine en pleine émergence. C'est l'ingénierie rationnelle de la biologie, son but est de concevoir de nouveaux systèmes biologiques. Elle fera progresser les connaissances du monde du vivant et permettra de développer de nombreuses applications industrielles dans les domaines de la santé, de l'énergie, des matériaux, de l'environnement et de l'agriculture.

La biologie de synthèse compte déjà au nombre de ses succès la mise au point d'un système de diagnostic sensible qui permet le suivi chaque année de 400 000 patients atteints du SIDA ou de l'hépatite et la synthèse d'un puissant médicament anti-malaria, l'artemisine.


Le projet Synthia

Le 20 mai 2010, après 15 ans de travail de 20 personnes et 40 millions de dollars d'investissements, une équipe de l'institut J.Craig Venter (États-Unis) a créé la première bactérie contrôlée par un chromosome synthétique.

L'équipe a remplacé le génome naturel de la bactérie Mycoplasma capricolum, qui peut causer la pneumonie chez la chèvre, par un génome pratiquement identique mais synthétisé en laboratoire. Le génome de cette bactérie consiste en un seul chromosome contenant 1,155 millions de paires de base, il avait été préalablement décrypté et l'information stockée dans des bases de données.

C'est à partir de cette information, contenant la succession des paires de base, que le chromosome artificiel à été synthétisé. Il n'a été que très légèrement modifié par un "filigrame" qui permet de le distinguer du chromosome naturel.

Pour synthétiser le chromosome, on a d'abord réalisé par synthèse chimique plus de 1000 séquences, chacune ayant 1 000 paires de base. Ces fragments ont été assemblés en plusieurs étapes successives ; pour certaines d'entre elles on a fait appel à des techniques de biotechnologie impliquant la bactérie Escherichia coli ou à la levure.

Après avoir retiré les enzymes de restriction (protéines qui peuvent couper l'ADN) d'une bactérie Mycoplasma capricolum naturelle, les scientifiques lui ont transféré le chromosome artificiel. Il a fallu de multiples essais pour que l'ADN synthétique commence à se répliquer, en même temps que l'ADN naturel disparaissait - probablement détruit par les enzymes de restriction de l'ADN synthétique. De plus, ces cellules modifiées, appelées "Synthia", se sont répliquées et développées. Elles ont aussi été capables de transcrire leurs gènes en ARN et de traduire ce dernier en protéines. Leurs structure et fonctionnement sont identiques à celles des bactéries naturelles.

Projet Synthia
Colonies de cellules Synthia (en bas), vues au microscope électronique (en haut) et cartographie de leur génome (à droite).

Cependant, il ne s'agit pas d'une bactérie synthétique mais seulement d'une bactérie contrôlée par un génome synthétique, qui a été assemblé à partir de pièces d'ADN synthétisé, le cytoplasme est celui de la cellule hôte initiale. Cela équivaut à changer le disque dur d'un ordinateur et installer un nouveau système d'exploitation.

L'étape suivante sera de concevoir un organisme de 2 millions de paires de base, taille qui permet d'envisager des applications en biotechnologies : produire des cellules capables de fabriquer des médicaments, dépolluer les sols ou produire du biocarburant à partir de biomasse non alimentaire.


Synchronisation des régulateurs transcriptionnels d'E. Coli

En janvier 2010, une équipe de scientifiques de l'Université de Californie à San Diego a réussi à synchroniser les horloges moléculaires des bactéries d'une colonie.

Dix ans auparavant, en utilisant des techniques de biologie de synthèse, des chercheurs avaient créé des horloges artificielles dans des bactéries Escherichia coli individuelles. Cette fois-ci, les horloges ont été non seulement construites mais aussi synchronisées dans une colonie de bactéries.

Les bactéries peuvent synchroniser l'expression de certains de leurs gènes par un mécanisme appelé détection du quorum : elles communiquent les unes avec les autres par des messagers chimiques qui les renseignent sur la densité de population de leur espèce ou d'autres espèces, ce qui leur permet parfois d'avoir des comportements symbiotiques. Un des messagers chimiques est l'acyl-homosérine lactone (AHL), petite molécule qui diffuse facilement à travers les membranes cellulaires.

Synchronisation E. Coli
Les bactéries Escherichia coli (à droite) ont été modifiées pour disposer d'horloges artificielles synchronisées (en haut à gauche) et pour mettre en évidence leurs oscillations (en bas à gauche).

En utilisant des composants de Vibrio fischeri, bactérie luminescente de l'eau marine, et de Bacillus thuringiensis, présente dans le sol ou l'eau, les scientifiques ont conçu un système où la molécule d'AHL intervient dans l'expression de deux gènes responsables l'un de la production d'une enzyme qui catalyse la synthèse d'AHL, l'autre de la production d'une autre enzyme qui la dégrade. Ces actions en boucle et antagonistes engendrent des oscillations de la concentration d'AHL. Pour visualiser ces oscillations, on a couplé à ce mécanisme un troisième gène, qui exprime une protéine verte-fluorescente.

C'est le double rôle de l'AHL - activation des gènes produisant les oscillations et messager entre les cellules - qui a permis la synchronisation des horloges au sein d'une colonie de bactéries : l'ensemble des ses membres "clignotent" à l'unisson.

Ces recherches permettront de mieux comprendre les cycles veille-sommeil et le rythme de diffusion des hormones dans l'organisme. Elles pourraient trouver des applications dans le traitement des pathologies des troubles du sommeil et des crises d'épilepsie.

Une autre voie possible est le développement d'implants cellulaires capables de produire des hormones comme l'insuline ou d'autres protéines thérapeutiques à des moments précis et à des doses précises. Le patient n'aurait plus à se rappeler qu'il a à prendre tel médicament à telle heure.


right arrow