Aux fondements de la vie

Aux fondements de la vie

Seba Florea

Il y a deux milliards d’années, sur une Terre juvénile géochimiquement pétillante, une simple bactérie a englouti sa voisine. Plutôt que de se dissoudre en nutriments, contre toute attente, l’organisme mangé a formé un partenariat symbiotique avec son hôte et s’est métamorphosé en minuscules usines spécialisées appelées organites. La cellule eucaryote est née.

 

Malgré leur nom exotique, les cellules eucaryotes sont intimement familières aux humains. En tant que blocs de construction de la plupart des animaux et des plantes, ces cellules ont évolué pour devenir des villes moléculaires complexes, remplies d’organites dédiées aux fondements de la vie. Le noyau, par exemple, abrite notre matériel génétique. Les ribosomes, des pépites en forme de fosse avec des structures incroyablement complexes, servent d’usines de construction de protéines. Les navettes moléculaires zooment autour de l’intérieur visqueux de la cellule comme des voitures volantes, connectant efficacement un compartiment à un autre.

 

Pendant deux millions d’années, c’était la manière de facto de soutenir une vie complexe. La vie est sur le point de se moderniser sérieusement.

 

Cette semaine, une équipe allemande dirigée par le Dr Edward Lemke au Laboratoire européen de biologie moléculaire a décrit un organite entièrement synthétique à l’ntérieur de cellules vivantes dans Science. Avec des racines dans la nature, ces usines artificielles font néanmoins exploser les capacités des cellules normales en remaniant la génétique de base de la vie. Les super-cellules équipées de ces organites transforment non seulement les lettres d’ADN normales – A, T, C, G – en protéines naturelles; ils sont également capables d’étendre le code génétique et d’utiliser des blocs de construction de concepteur pour construire des protéines entièrement nouvelles sans interférer avec les fonctions normales de la cellule.

 

«Cela permet essentiellement d’obtenir une cellule qui utilise simultanément deux codes génétiques distincts pour les différentes protéines qu’elle produit», ont déclaré Lemke et ses collègues, Christopher Reinkemeier et Gemma Estrada Girona à Singularity Hub .

 

Ce n’est même pas le nœud du problème. En théorie, la stratégie pourrait fonctionner pour concentrer toute fonction de concepteur dans des cellules. Parce que le concept ne perturbe pas le mode de vie normal d’une cellule, l’équipe pense que les scientifiques peuvent désormais concevoir des compartiments personnalisés qui exécutent des tâches entièrement synthétiques à l’intérieur des cellules, telles que le pompage de médicaments vitaux, de biocarburants ou l’encodage de la photosynthèse artificielle.

 

« Nous pouvons maintenant commencer à rêver de concevoir tous les types d’organites pour équiper les cellules de nouvelles fonctions », ont-ils déclaré.

 

« Cela semble être un pas en avant incroyable pour l’ingénierie des organites et l’ingénierie du code génétique », a déclaré le Dr George Church à SH , le «parrain» de la biologie synthétique à l’Université Harvard qui n’a pas participé à l’étude.

La vie du designer

Ce n’est pas la première fois que des biologistes synthétiques révisent la vie naturelle.

En 2017, une équipe du Scripps Research Institute a élargi le code ADN de base, en ajoutant deux lettres supplémentaires, X et Y, au mélange. Lancée par le Dr Floyd Romesberg, l’équipe a conçu des formes de vie semi-synthétiques capables de déchiffrer ces lettres artificielles pour créer des protéines qui brillent dans le noir qui éclairent une cellule par ailleurs normale dans un vert brillant.

« C’était le plus petit changement possible que nous pouvions apporter à la façon dont la vie fonctionne, mais c’est le tout premier », a déclaré Romesberg à l’époque.

 

Ces efforts herculéens n’ont jusqu’à présent fonctionné que dans les cellules bactériennes, qui sont de magnitudes plus simples que les nôtres. « Comme les cellules de mammifères sont également beaucoup plus complexes, il ne sera pas non plus facile de transplanter cette approche [élégante] dans des cellules eucaryotes plus complexes dans un proche avenir », a expliqué Lemke.

Plutôt que de jouer directement avec le code ADN, l’équipe a adopté une approche incroyablement intelligente : récapituler les origines des cellules eucaryotes, en commençant par les protéines.

Le TL ; DR de la fabrication de protéines

La naissance d’une protéine débute à l’intérieur du noyau, bourré d’ADN.

 

Une danse extraordinaire de molécules « lisent » des portions de l’ADN et transcrivent le code dans une version plus portable – l’ARN messager. Comme des colombes porteuses de lettres, ces courts brins de molécules volent vers des parties éloignées de la cellule pour recruter une armée nécessaire pour lancer tout le processus de fabrication de protéines.

Au cœur du code de la vie est la façon dont l’ADN « se traduit » en protéines, qui sont construites à partir d’acides aminés. L’ADN a quatre lettres disposées en combinaisons de trois; comme le code Morse, ces combinaisons recrutent à leur tour un «porteur» très spécifique, l’ARN, qui achemine l’acide aminé approprié vers l’usine de fabrication de protéines. Simultanément, il recrute une protéine centrale – également adaptée à un acide aminé spécifique – qui fournit la réaction chimique nécessaire pour relier les éléments constitutifs individuels en chaînes. J’aime penser à mes doigts comme à un combo de protéines ARN-puissance qui me permet de saisir un bloc d’acides aminés Lego, tout en fournissant suffisamment d’énergie pour appuyer et construire une protéine Lego pièce par pièce.

Les atomes d'une protéine

Il y a un autre aspect critique dans cette histoire: le «codon d’arrêt». Comme son nom l’indique, cette bizarrerie moléculaire stoppe considérablement l’ensemble des machines de construction de protéines. Pour qu’une usine de fabrication de protéines puisse continuer à fabriquer son produit, le codon d’arrêt doit être supprimé.

En tout, la vie ne nous a donné que 20 acides aminés différents. Pour les biologistes synthétiques, en incorporer de nouveaux – ceux qui aident les cellules à briller, par exemple – est le but ultime de la construction d’organismes entièrement nouveaux qui répondent à nos besoins.

Organelles OT

Lemke et ses collègues se sont concentrés sur la résolution d’un problème époustouflant : comment laisser une cellule incorporer des acides aminés totalement étranges contre nature uniquement dans une protéine particulière et pas tout le reste?

Leur inspiration venait du stress. Pas le genre de déchirer les cheveux, mais un type de déclencheur chimique que les cellules n’aiment vraiment pas. Sous stress, de nombreuses cellules forment de petits agrégats appelés granules de stress qui s’auto-séparent à l’intérieur de la cellule. Ils forment automatiquement une sorte d’organelle – une entité à l’intérieur de la ville cellulaire sans murs qui communique toujours avec d’autres parties de la ville.

En termes biochimiques, on parle de « séparation de phase ». Le processus permet aux molécules de se communaliser en des « abris » fonctionnels, semblables à du brouillard, à l’intérieur du chaos d’une cellule vivante.

L’ajout de composants à partir de granulés de stress n’était pas suffisant – l’équipe a également incorporé un autre ajustement moléculaire pour déclencher davantage la séparation de phase.

« Comme lorsqu’une goutte de pluie se forme par séparation de phase, l’air qui l’entoure reste encore humide et toute l’eau ne va pas à la goutte, juste la plupart. Seulement, lorsque nous combinons les deux approches, nous obtenons une grande structure de type organite qui est spatialement assez contrainte », ont-ils expliqué.

Ceci est essentiel : la séparation de phase a concentré tous les composants artificiels de construction de protéines vers l’organite vaporeux et loin des mécanismes naturels de construction de protéines. Pour marquer spécifiquement un seul ARN messager – c’est-à-dire éventuellement une seule protéine de concepteur – à l’organite, l’équipe a ajouté un bout de code dans la colombe porteuse moléculaire, surnommée « ms2 », qui à son tour a rassemblé les ARN et d’autres composants dans le organelle.

Le processus a essentiellement formé un organite complètement différent de ceux qui ont naturellement évolué.

Si une « colombe » d’ARN messager se perd à l’intérieur de la ville cellulaire, le codon d’arrêt entre en action et supprime la formation de protéines. En d’autres termes, le codon stop n’est supprimé qu’à l’intérieur des organites artificielles, permettant l’incorporation d’acides aminés artificiels dans une protéine synthétique donnée. Partout ailleurs, la cellule inhibe naturellement toute construction artificielle et bâtarde de protéines.

« Dans les cellules de mammifères, il n’a pas été possible jusqu’à présent de sélectionner un ARN [messager] spécifique » sans compromettre les protéines naturelles, expliquent les auteurs.

Maintenant nous pouvons.

Vie semi-synthétique

Si votre cerveau vous fait mal, le mien aussi. Grâce à des milliards d’années d’évolution, bricoler l’ordre habituel des processus moléculaires équivaut à duel avec toutes les forces de mère nature – c’est sacrément difficile.

Mais l’équipe de Lemke, entre autres déterminée à concevoir une nouvelle vie, montre que c’est possible. Nous ne sommes plus sous le contrôle de l’évolution ; plutôt, nous pouvons directement programmer des fonctions dans des cellules qui peuvent prendre des éons (et de la chance) pour évoluer.

En tout, régner sur l’évolution n’a pris que cinq ajustements génétiques: dans le monde de la biologie synthétique, c’est un jeu d’enfant. Au fur et à mesure que notre compréhension de la séparation de phase biologique se développe, nous pouvons nous attendre à des organites 2.0 artificielles qui sont beaucoup plus raffinées, sélectives et compatibles avec la vie cellulaire naturelle.

Le bricolage avec des organites personnalisés n’est qu’une des façons dont les scientifiques réécrivent la vie. GP-Write, un programme dirigé par Church, développe rapidement des technologies de synthèse d’ADN plus efficaces qui pourraient un jour conduire à des super-cellules résistantes à la plupart des virus.

En fin de compte, «il n’y a rien de spécial dans le système naturel que la nature utilise pour coder les informations », a déclaré Romesberg. « Et si ce système de vie le plus intime peut être conçu, manipulé ou changé, peut-être que la vie elle-même peut être modifiée ou de nouvelles formes de vie créées. »