Forme de vie artificielle donnée 'ADN synthétique'

Forme de vie artificielle donnée 'ADN synthétique'
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Jason Chin

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Syn61 est montré ici en train de reproduire et de diviser. Les cellules sont colorées avec un colorant pour les faire briller

Des scientifiques britanniques ont créé une version artificielle de E. coli, une punaise de l'estomac, basée sur une forme d'ADN entièrement synthétique.

Dans le même temps, Syn61, comme ils l'appellent, a vu son code génétique considérablement repensé.

Cela a été fait de manière à ouvrir la voie à des bactéries de concepteur capables de fabriquer de nouveaux catalyseurs, médicaments, protéines et matériaux.

D'autres scientifiques travaillant en biologie synthétique ont salué ce développement.

Le professeur George Church, ingénieur en génétique, de l'Université Harvard aux États-Unis, a qualifié ce travail de "percée majeure".

Le Dr Tom Ellis, lecteur de biologie synthétique à l'Imperial College London, l'a qualifié de super impressionnant.

Les 4 millions de lettres génétiques de Syn61 en font le plus grand génome à être synthétisé à partir de rien.

Ils ont été commandés en petits segments auprès d’une entreprise de fournitures de laboratoire, avant d’être assemblés en cellules de levure en tranches de un million de lettres par des machines cellulaires naturelles.

À ce stade, le travail des ingénieurs génomistes est devenu un peu le programme de maintenance d’un ingénieur ferroviaire: remplacer le E. coli génome par morceaux – section par section – plutôt que tous en même temps.

"Le chromosome bactérien est tellement gros", a déclaré le chef de l'équipe, Jason Chin, à la BBC, "nous avions besoin d'une approche nous permettant de voir ce qui n'allait pas, s'il y avait eu des erreurs en cours de route."

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La recherche a été décrite comme une "avancée majeure"

Ce n’est donc qu’après avoir testé chaque segment d’un demi-million de lettres sur des bactéries partiellement synthétiques que les huit segments ont été rassemblés dans Syn61.

La méthode est plus prudente que celle utilisée par le bioentrepreneur Craig Venter, dont le réplicant microbien basé sur le minuscule organisme Mycoplasma genitalium.

Ce fut une étape décisive, se souvient Tom Ellis, mais il a fallu au fil des ans les efforts de tout un institut, créé, dirigé et nommé par Venter.

Le nouveau travail a été conduit par une petite équipe du Laboratoire de biologie moléculaire de Cambridge, de renommée mondiale, et pourrait facilement être transformé en génomes plus volumineux dans n'importe quel laboratoire bien équipé, selon le Dr Chin.

En l’occurrence, l’équipe n’a trouvé que quatre erreurs sur les quatre millions de lettres génétiques synthétisées et elles ont été facilement corrigées.

Mais les ambitions du Dr Chin vont bien au-delà des chromosomes.

Le nouveau génome a également été recodé, dans un premier temps permettant aux biologistes synthétiques d'incorporer des composants dans des biomolécules qui n'existent pas dans la nature.

Le code sur l'ADN contient des instructions pour la cellule sur la manière d'assembler des protéines, les biomolécules primaires d'un corps.

Tout comme l'ADN est composé de chaînes d'éléments d'acide nucléique simples, les protéines sont constituées de chaînes d'acides aminés simples.

La nature a une palette de 20, avec des noms comme sérine, leucine et alanine. Leur chimie dicte les propriétés des protéines qu'ils fabriquent – des protéines capillaires aux protéines musculaires, en passant par les enzymes de l'estomac.

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Coli générique: les chercheurs ont redessiné le code génétique de l'organisme

Mais bien que la nature n’en compte que 20, le code ADN peut en accueillir jusqu’à 64. Le biologiste de l’ADN, Francis Crick, qui a travaillé au LMB à ses débuts, a qualifié cet accident d’accident gelé.

En conséquence, de nombreux "mots" ADN ou codons conduisent au même acide aminé. Par exemple, il existe six manières de rédiger les instructions relatives à la sérine – ce que Chin considère comme un gaspillage.

"Nous avons éliminé certaines des duplications du code naturel pour le rendre plus efficace", déclare son collègue Julius Fredens, qui a supervisé une grande partie des travaux de laboratoire détaillés.

Ils ont entrepris de rechercher toutes les occurrences de deux variantes de l'instruction serine et de les remplacer de manière synthétique par deux des autres synonymes – tâche similaire à celle de rechercher tous les "C et Q" dans la bible et de les remplacer par "K". , de sorte que "rapide" devient "kwikk".

L’équipe a également réduit le nombre de codons (comme les points d’arrêt complet) marquant la fin des gènes de trois à deux. Il y avait plus de 18 000 remplaçants en tout.

"C’était une transformation radicale", affirme Chin.

Des modifications supplémentaires ont été apportées pour supprimer la machine cellulaire qui lit les codons perdus – cela n’était plus nécessaire.

Exploit 'impressionnant'

Syn61 ne s'avère pas être aussi vigoureux que son naturel E. coli cousin – il pousse environ 60% plus lentement. Bien que cela puisse suggérer que les orthographes alternatives dans le code génétique ont peut-être une importance fondamentale, Julius Fredens pense avoir identifié des problèmes moins importants dans Syn61, qui devraient être facilement corrigés pour rétablir pleinement la santé de l'organisme.

Tom Ellis est impressionné par le fait que la bactérie est efficace: "Ces 18 000 modifications signifient que chaque gène du chromosome aura été modifié – et pourtant, il est toujours vivant!"

L'un des effets du recodage est qu'il sépare Syn61 de toute autre vie. Jusqu'à présent, les organismes ont pu échanger des gènes, souvent via des virus, parce qu'ils partagent tous le même langage de base. Maintenant, un virus essayant d'infecter Syn61 constatera que la cellule hôte ne dispose pas des outils nécessaires pour traduire l'ADN viral; la tentative échouerait.

George Church appelle cela le "cliffhanger". Lors d'une précédente tentative dans son laboratoire, avec un ensemble plus limité de modifications, un virus sur cinq était toujours parvenu à se répliquer.

"Le succès de Chin encouragera le reste d'entre nous à travailler pour rendre de nombreux organismes (microbes industriels, plantes, animaux et cellules humaines) résistants à tous les virus grâce à cette approche de recodage", a écrit Church dans un courrier électronique.

Chin dit que le test n’a pas encore été testé avec Syn61, mais qu’il figure en bonne place sur leur liste de choses à faire.

Mais le grand plan de Chin est de rendre la biochimie plus diversifiée.

Avec seulement 61 des 64 codons possibles de Syn61 pris comme instructions pour les acides aminés naturels (d'où son nom), il en reste trois qui peuvent maintenant être réaffectés à des acides non naturels qui pourraient introduire une toute nouvelle chimie dans la cellule.

Le menton introduit des éléments qui font briller les protéines, ou répondent à la lumière en devenant actifs, ou éteints.

Fredens estime qu'il existe peut-être déjà 200 blocs de construction non naturels qui pourraient être introduits dans la chimie des protéines de cette façon, et qu'ils fonctionneraient avec les techniques déjà développées à LMB et ailleurs.

"C'est assez hallucinant de pouvoir développer l'alphabet génétique de cette façon", admet Fredens. "Je pense que nous sommes assez loin de réaliser à quel point nous pouvons faire avec cela, en produisant des choses que nous n'avons jamais vues auparavant."

Chin se concentre principalement sur ce que les opportunités apporteront à la science, en parlant de protéines alternatives qui espionneront le fonctionnement interne des cellules ou aideront les sociétés pharmaceutiques à construire de meilleurs médicaments. Mais les possibilités sont infinies. Tom Ellis spécule sur l’idée de connecter des crochets moléculaires à des protéines, ce qui leur permettrait de cliquer ensemble pour créer de vastes réseaux moléculaires dans des matériaux intelligents.

Cela peut sembler être un nouveau monde moléculaire courageux, mais Chin dit que cela ne devrait pas faire peur.

"Les gens ont des préoccupations légitimes", accepte-t-il. "Tout ce que nous inventons a un double usage. Mais l’important, c’est de débattre de ce que nous devrions faire et ne pas faire. Et que ces expériences se font de manière bien contrôlée."

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