Life synthétique: fabriqué à partir de zéro

Pourquoi doter des organismes de fonctions non naturelles exige une meilleure compréhension de la biologie, des protéines de synthèse et une part de questionnement.

Gouttelettes d’huile dans l’eau, une approche commune pour la création de

La biologie synthétique est une discipline scientifique qui vise à concevoir rationnellement des organismes vivants, généralement avec des approches de génie génétique (1). En 1961, François Jacob et Jacques Monod ont proposé pour la première fois que les circuits de régulation génétique dirigent le comportement cellulaire (2). En 2000, les scientifiques ont réussi à concevoir des circuits génétiques non naturels, à les implanter dans des micro-organismes, et les circuits ont rempli leur fonction. Les premiers exemples incluent l’interrupteur à bascule génétique (3), dans lequel deux promoteurs dirigent l’expression de répresseurs qui s’inhibent mutuellement, amenant la cellule à «basculer» entre des états stables, et le répressilateur (4) apparu au cours de la même année.

Les circuits génétiques sont inspirés des circuits électriques et sont construits à partir de principes similaires par geralt Pixabay.

Aujourd'hui, l'application de méthodologies d'ingénierie à la modification rationnelle des organismes est un objectif persistant de la biologie synthétique. La plupart des biologistes synthétiques décrivent le génie biologique comme une hiérarchie, dans laquelle des parties (gènes, ADN) sont utilisées pour construire des dispositifs (plusieurs gènes ensemble), lesquels peuvent à leur tour être utilisés pour construire des systèmes (une série de nombreux dispositifs) (1). Le défi de la transformation de la biologie synthétique en une véritable discipline de l’ingénierie réside dans le fait que les pièces, qui sont les blocs de construction rudimentaires des constructions d’ordre supérieur, sont fondamentalement limitées par la rigueur de leur caractérisation. C'est vraiment le cas dans toutes les disciplines d'ingénierie établies. En génie électrique, par exemple, les composants de base (transistors, résistances, fils, etc.) ont été si bien caractérisés que les enfants peuvent les utiliser et les circuits qui en résultent se comportent comme prévu. Une fois que toutes les «parties» ont été normalisées, les biologistes synthétiques peuvent éventuellement utiliser des éléments constitutifs individuels de l’ADN pour construire des formes de vie entièrement synthétiques de bas en haut.

Buste d'Aristote. Photographie par morhamedufmg Pixabay.

L'idée de la vie synthétique existe depuis des millénaires. Au 4ème siècle avant notre ère, Aristote a parlé de la génération spontanée dans son livre «Sur la génération d’animaux», qui prétendait que la chair en décomposition donnait des formes de vie entièrement nouvelles. Aux 20e et 21e siècles, de sérieuses préoccupations éthiques concernant les formes de vie artificielles ont surgi. En 2005, le virus du bactériophage T7 a été «refactoré» avec succès en remplaçant 11 515 paires de bases d’ADN par une forme synthétique et en maintenant la viabilité des particules virales (5). Deux ans plus tard, J. Craig Venter a réussi à transplanter des chromosomes entre micro-organismes (6) et, l'année suivante, a publié un génome artificiel complet basé sur M. genitalium (7). En 2010, les composants ont été rassemblés et un M. genitalium contenant un génome «synthétique» a été construit avec succès (8).

Un projet international en cours, appelé Synthetic Yeast 2.0, tente de construire le premier organisme eucaryote possédant un génome synthétisé chimiquement (9). L’exemple le plus ambitieux à ce jour en matière de construction de génomes synthétiques, chaque institut membre construit et dépanne l’un des 16 chromosomes de levure. Au cours des prochaines années, ils espèrent produire une levure entièrement «synthétique» possédant tous ces chromosomes synthétisés chimiquement.

L'année dernière, le groupe Romesberg du Scripps Research Institute a publié la création d'une «forme de vie semi-synthétique», qui a fourni la première preuve d'un microorganisme contenant des nucléotides synthétiques dans son génome (appelés X et Y), dont le code était: transcrit et traduit avec succès, augmentant ainsi de 20 à 172 les acides aminés disponibles pour les cellules vivantes (10). Romesberg a été prudent dans la communication de ses résultats aux médias, déclarant: "Je n’appellerais pas cela une nouvelle forme de vie, mais c’est la chose la plus proche que quiconque ait jamais faite" (11).

Le consortium Build-a-Cell, qui s’efforce de créer des cellules synthétiques à partir de zéro, à l’aide de composants modulaires, constitue aujourd’hui l’effort le plus proche pour construire quelque chose qui puisse véritablement s'appeler vie synthétique. Théoriquement, une cellule possédant tous les gènes nécessaires au métabolisme de base, à la division cellulaire, à la signalisation et à quelques autres tâches pourrait être considérée comme vivante et entièrement construite à partir de blocs de construction bien caractérisés.

Mais qu'en est-il du développement d'organismes qui possèdent des fonctionnalités entièrement nouvelles, celles que l'on ne trouve nulle part dans la nature? Comment les biologistes synthétiques peuvent-ils faire la transition au-delà du recâblage de composants existants (ce qui n’a été que partiellement réalisé) et entrer dans le domaine des inconnus? De nombreux défis limitent cette transition, mais cela se produira éventuellement. Une forme de vie artificielle, basée uniquement sur un organisme existant, ne peut être construite que si son développeur comprend parfaitement le fonctionnement de la vie et peut prédire le comportement de chaque composant dans la cellule. Étant donné que les protéines sont l’un des moyens les plus importants par lesquels une cellule exerce ses fonctions, il est logique de penser qu'une meilleure compréhension de la fonction des protéines et la capacité de concevoir des protéines dotées de fonctions entièrement nouvelles pourraient faciliter cette transition.

Le développement de formes de vie synthétiques dotées de nouvelles fonctionnalités présente trois principaux «défis». Bien que les exemples fournis ici ne soient nullement exhaustifs, ils englobent les aspects scientifiques, technologiques et éthiques.

Défi scientifique: fonctions protéiques inconnues

La biologie synthétique est une discipline qui repose sur des avancées parallèles en génomique, en biologie moléculaire et en calcul. Pour manipuler les organismes de manière prévisible, il faut bien comprendre les subtilités, les différences et, surtout, la fonction de chaque composant, avant de pouvoir réorganiser et transplanter les composants à volonté. C'est le défi scientifique.

Pour trouver un exemple probant des lacunes scientifiques criantes qui doivent être comblées avant de créer une vie nouvelle, il suffit de regarder les efforts déployés pour construire un génome minimal, achevés en 2016, dans lesquels le génome de Mycoplasma mycoides réduit à seulement 473 gènes (12). Il est peut-être surprenant que cet effort ait été précédé, en 2012, par la création d’un modèle à cellules complètes, basé sur l’organisme simple Mycoplasma genitalium, par le groupe de Markus Covert à Stanford (13). Malgré la simplicité de ces organismes (Native Genitalium ne possède que 525 gènes) et les efforts scientifiques intenses consacrés à leur compréhension, 149 gènes essentiels chez M. mycoides ont une fonction inconnue (12).

Une limite fondamentale à la construction de formes de vie synthétiques réside dans le fait que la principale méthode de recherche biologique consistait historiquement à isoler ou à neutraliser des gènes de manière indépendante, puis à identifier leur fonction dans la cellule. Cette approche est utile, mais peut s'avérer erronée pour étudier toutes les fonctions complexes dans lesquelles elle est impliquée, car «… un seul composant (tel qu'un gène) contrôle rarement de manière spécifique une fonction biologique ou une maladie donnée, et inversement, tout composant donné peut influencer beaucoup de fonctions différentes »(1). Pour comprendre comment les composants du milieu cellulaire remplissent leurs fonctions, les approches biochimiques canoniques prennent beaucoup de temps et sont laborieuses, mais peuvent rester nécessaires. D'autres approches au niveau des systèmes ont toutefois été utilisées pour prédire la fonction à partir de la séquence.

Dans les mois qui ont suivi la publication par Venter d'une cellule minimale viable, Antoine Danchin et Gang Fang ont prédit certaines fonctions géniques inconnues via une analyse évolutive, parcourant la littérature pour déterminer les gènes essentiels exécutant des fonctions de base dans des clades bactériens connexes non mentionnés. comme l'un des gènes connus dans le génome minimal mycoides (14). En utilisant ces relations évolutives, Danchin et Fang ont proposé des identités pour 32 des 149 gènes inconnus (14). Mais la cellule minimale (et son prédécesseur) ne sont pas les seuls organismes relativement simples qui ont fait l'objet de nombreuses études, et les relations évolutives ne sont pas le seul moyen d'étudier la fonction des protéines. Les chercheurs en levure ont longtemps recherché de nouvelles méthodes pour déterminer la fonction de gènes inconnus. En 2007, il y avait plus de 1000 gènes non caractérisés dans la levure (15).

Effectuer des analyses d'homologie ou des analyses d'évolution sur de grands ensembles de données est une chose, mais en isoler la protéine en question et effectuer des études enzymatiques ou supprimer le gène in vivo pour en étudier les effets. Avec les gènes essentiels, la suppression est plus difficile à obtenir, mais il existe encore des options pour étudier les fonctions des protéines, telles que le suivi des fluorophores, les immunoprécipitations, l’immunotransfert et les inhibiteurs pharmacologiques. Bien que fastidieuse et laborieuse, une approche biochimique basée sur des outils éprouvés reste la meilleure méthode pour déterminer la fonction.

Une fois que la fonction de chaque composant est déterminée, l'étape suivante consiste à utiliser des approches systémiques pour comprendre leur fonctionnement dans un contexte cellulaire plus étendu. C’est le travail des biologistes des systèmes, qui «cherchent à comprendre comment toutes les composantes d’un système biologique interagissent dans le temps et dans l’espace pour en déterminer le fonctionnement. Il permet de mieux comprendre la grande quantité de données issues de la recherche en biologie moléculaire et en génomique, intégrées à une compréhension de la physiologie, pour modéliser la fonction complexe des cellules, des organes et des organismes entiers »(16). Aujourd'hui, une compréhension limitée de la fonction des protéines entrave gravement la construction de la vie synthétique.

Défi technologique: prédire la fonction à partir d'une séquence

À l'avenir, il serait utile de créer des cellules qui remplissent un objectif sur mesure, même si cet objectif requiert une fonction ou un comportement enzymatique que l'on ne retrouve nulle part dans la nature. Avec les progrès réalisés dans la prédiction de la structure et de la fonction des protéines à partir de la séquence d’ADN, la «modularité» des éléments pouvant être utilisés un jour pour construire des organismes biologiques à partir de la base sera considérablement élargie. Bien que certains groupes de recherche s’emploient à créer des protéines aux fonctions totalement nouvelles, notamment le groupe de Frances Arnold, lauréat du prix Nobel 2018, une meilleure compréhension de la fonction des protéines et des outils permettant de modifier de manière fiable leur structure protéique sont indispensables. Un défi technologique majeur lié à la création d’organismes entièrement «non naturels» est le suivant: quelles méthodes peuvent être utilisées pour construire des protéines aux fonctionnalités nouvelles et de quelle manière sommes-nous contraints?

Le «problème du repliement des protéines» a été abordé par de nombreux groupes, sans doute aussi célèbres que David Baker de l’Université de Washington. Le groupe de Baker est remarquable (en partie) pour avoir mis au point ROSETTA et ROSETTA @ Home, un programme de prévision de la structure des protéines et sa version destinée à un usage domestique, dans lesquels les utilisateurs peuvent utiliser leur ordinateur personnel pour résoudre le problème de la structure énergétique la plus basse pour diverses protéines. (17). Baker a également créé une entreprise dérivée, Arzeda, qui utilise des plates-formes de prévision structurelle pour la création d'enzymes avec de nouvelles fonctionnalités pouvant être utilisées pour des applications environnementales, diagnostiques et thérapeutiques (20).

Les programmes informatiques développés par le groupe Baker et d’autres ont été utilisés pour concevoir un repli protéique tout à fait unique, introuvable dans la nature (18), ainsi que pour concevoir des interfaces protéine-protéine destinées à des applications en conception thérapeutique (19). Cependant, une limite actuelle dans la conception de structures biologiques entièrement nouvelles est la puissance de calcul. Les simulations ab initio sondent et testent généralement de nombreux états protéiques conformationnels pour identifier les structures avec l'énergie libre la plus faible (20, 21). En 2009, un superordinateur de pointe pourrait simuler une protéine de 50 résidus, atome par atome, pendant 1 milliseconde. Depuis, les ordinateurs personnels ont dépassé cette capacité (22, 23).

Malheureusement, la prédiction de la fonction des protéines à partir d'une séquence d'ADN est beaucoup plus complexe que la prédiction de la structure des protéines. La capacité de prédire les fonctions des protéines pourrait permettre la conception rapide et rationnelle de protéines avec des activités entièrement nouvelles. Le groupe de Frances Arnold du California Institute of Technology s'attaque à ce problème en utilisant «le processus de conception biologique le plus puissant, l'évolution, pour optimiser les enzymes existantes et en inventer de nouvelles, contournant ainsi notre profonde ignorance sur la façon dont la séquence encode la fonction." L'évolution est si grande outil pour développer de nouvelles protéines, en partie, car les mutations nécessaires pour mettre en œuvre une nouvelle fonction utile sont souvent très non intuitives. Bien que la plupart des acides aminés responsables de la spécificité ou de la sélectivité du substrat se trouvent dans le site actif, des modifications apportées à des acides aminés distants du site actif peuvent également entraîner une augmentation considérable des activités catalytiques (24).

Une combinaison d'approches englobant le calcul, la conception et l'évolution a plus de chances de réussir à créer des protéines toujours plus complexes.

Défi sociétal et éthique

L’éthique de la biologie synthétique a été vivement contestée depuis les premiers rapports sur les circuits génétiques publiés au début des années 2000, et le rapport sur un génome synthétisé chimiquement en 2010 a poussé l’administration Obama à créer une commission de bioéthique pour traiter les nouvelles capacités de la biologie synthétique ( 25) Au cours de cette initiative, les éthiciens ont affirmé que, si les scientifiques réussissaient à créer l'organisme, la vie elle-même pourrait perdre son statut spécial (26). En d’autres termes, les gens commenceraient à ne plus voir dans la vie qu’une série de réactions biochimiques complexes pouvant être reproduites en laboratoire, et la création d’un organisme de réductionniste et synthétique mettrait en péril ce statut spécial.

L'argument moral réductionniste contre la création d'une vie synthétique est également lié au réductionnisme méthodologique, une stratégie que les disciplines de l'ingénierie ont utilisée pour réduire systématiquement les composants afin de mieux comprendre comment l'ensemble est construit. C'est le cas de la normalisation en biologie synthétique, dans laquelle chaque composant est caractérisé individuellement et, pourtant, il n'y a pas eu de réaction critique au point de vue éthique par rapport à la standardisation biologique systématique. Ce sont toutefois les mêmes principes réductionnistes qui permettront la création éventuelle d’une forme de vie synthétique. Enfin, rien n'indique que les efforts antérieurs visant à créer une vie semi-synthétique, mentionnée plus haut dans cet article, et des organismes dotés de génomes synthétiques, aient en aucune manière porté atteinte au statut spécial que les humains attribuent aux organismes vivants malgré l'attention des médias.

Néanmoins, certains points éthiques clés doivent être pris en compte avant la construction de formes de vie synthétiques. Les directives formulées par Weitze et Pühler sont particulièrement éclairantes (27). Premièrement, les scientifiques possèdent-ils toutes les connaissances pertinentes et une compréhension globale de la technologie en question? Le fait que les scientifiques puissent construire quelque chose ne signifie pas qu'ils devraient le faire. En conséquence, les scientifiques doivent œuvrer pour une compréhension complète (dans la mesure du possible!) Des principes biologiques en jeu dans l'organisme, afin que les problèmes potentiels puissent être prévenus ou atténués.

Les inconvénients potentiels d'un nouvel organisme de synthèse doivent également être pris en compte. Les gens utilisent souvent la technologie de manière inattendue. Il est donc important que les applications potentielles de l’organisme synthétique soient débattues de manière proactive. Les réglementations gouvernementales et les considérations éthiques doivent être prises en compte longtemps avant le début des travaux de construction.

Le cadre de recherche et d'innovation responsable, développé par l'EPSRC (Conseil de recherche sur l'ingénierie et les sciences physiques, principal organisme de financement du génie et des sciences physiques au Royaume-Uni), préconise que la recherche en biologie synthétique soit menée à l'aide de AREA, qui signifie Anticipate, Reflect. , Engager et agir (28). Les chercheurs doivent explorer pleinement l'impact de leur projet de recherche avant de s'y lancer, réfléchir aux objectifs de la recherche, dialoguer avec des personnes extérieures à leur discipline, y compris les bioéthiciens, puis agir sur ces processus et orienter leurs recherches. projeter en conséquence.

Dans les décennies à venir, des cellules dotées de fonctionnalités tout à fait uniques et non naturelles seront conçues et construites. Les progrès réalisés aujourd’hui sont un pas en avant dans la réalisation de cet objectif plus large et pourraient ouvrir la voie à une nouvelle ère de biologie synthétique, dans laquelle des organismes sont créés au cas par cas pour résoudre certains des problèmes les plus pressants au monde.

Références

1. «Biologie synthétique: portée, applications et implications». Académie royale d’ingénierie. Mai 2009. Consulté le 2 décembre 2017.

2. Jacob F et Monod J. «Mécanismes de régulation génétiques dans la synthèse de protéines». Journal of Molecular Biology 3, 318–356 (1961).

Gardner TS, les juges Cantor CR et Collins. «Construction d'un commutateur génétique à genouillère chez Escherichia coli.» Nature 403, 339–342 (2000).

4. Elowitz MB et Leibler S. «Un réseau oscillatoire synthétique de régulateurs de transcription», Nature 403, 335–8 (2000).

5. Chan LY, Kosuri S et Endy D. «Refactoring du bactériophage T7». Mol Syst Biol 1 (2005).

6. Lartigue C, Glass JI, Alperovich N, et al. «La transplantation de génomes dans des bactéries: changer d'une espèce à une autre». Science 317, 632–8 (2007).

7. Gibson DG, Benders GA, Andrews-Pfannkoch C, et al. «Synthèse chimique complète, assemblage et clonage d'un génome de Mycoplasma genitalium», Science 319, 1215-12 (2008).

8. Gibson DG, Glass JI, Lartigue C, et al. «Création d'une cellule bactérienne contrôlée par un génome synthétisé chimiquement», Science 329, 52–6 (2010).

9. Annaluru N, Muller H, Mitchel LA et al. «Synthèse totale d'un chromosome eucaryote de concepteur fonctionnel», Science 344, 55–8 (2014).

10. Zhang Y, Ptacin JL, EC Fischer, et al. «Organisme semi-synthétique qui stocke et récupère une information génétique accrue.» Nature 551, 644–47 (2017).

11. «Les scientifiques créent le premier organisme semi-synthétique qui stocke et récupère des informations non naturelles.» Communiqué de presse du Scripps Research Institute. 29 novembre 2017. Consulté le 2 décembre 2017.

12. Hutchison CA, R Chuang, Noskov VN et al. «Conception et synthèse d'un génome bactérien minimal.» Science 351, 1414 (2016).

13. Karr JR, JC Sanghvi, DN Macklin et al. «Un modèle de calcul de cellule entière prévoit un phénotype à partir d'un génotype.» Cell 150, 389–401 (2012).

14. Danchin A et Fang G. «Inconnues inconnues: gènes essentiels en quête de fonction.» Microb Biotechnol 9, 530–40 (2016).

15. Peña-Castillo L et Hughes TR. «Pourquoi y a-t-il encore plus de 1000 gènes de levure non caractérisés?», Genetics 176, 7-14 (2007).

16. «Biologie des systèmes: une vision de l'ingénierie et de la médecine». Académie des sciences médicales et Académie royale d'ingénierie (2007).

17. Kaufmann KW, Lemmon GH, DeLuca SL, Sheehan JH et Meiler J. «Pratiquement utile: ce que la suite de modélisation de protéines ROSETTA peut faire pour vous», Biochemistry 49, 2987–98 (2010).

18. Kuhlman B, G Dantas, GC Ireton, Varani G, Stoddard BL et Baker D. «Conception d'un nouveau repli protéique globulaire avec une précision de niveau atomique», Science 302, 1364-13 (2003).

19. Ashworth J, Havranek JJ, Duarte CM, et al. “Nouvelle conception informatique de la liaison à l'ADN de l'endonucléase et de la spécificité du clivage”. Nature 441, 656–59 (2006).

20. Jiang L, EA Althoff, Clemente FR et al. «Conception informatique novatrice d'enzymes rétro-aldol». Science 319, 1387–91 (2008).

21. Simons KT, Bonneau R, Ruczinski I et Baker D. «Prédiction de la structure protéique ab initio de cibles CASP III à l'aide de Rosetta», Protéines 37, 171–76 (1999).

22. Shaw DE, KJ Bowers, Edmond C, et al. «Actes de la Conférence sur le réseautage, le stockage et l’analyse en calcul haute performance - SC ‘09.» (2009).

23. Pierce LCT, R Salomon-Ferrer, CAF Oliveira, et al. «Accès de routine aux événements d'échelle temporelle en millisecondes avec une dynamique moléculaire accélérée.» J Chem Theory Comput 8, 2997–3002 (2012).

24. Tracewell CA et Arnold FH. «Evolution enzymatique dirigée: la forme physique en escalade culmine avec un acide aminé à la fois.» Curr Opin Chem Biol 13, 3-9 (2009).

25. Pollack A. «États-Unis La Commission de bioéthique donne son feu vert à la biologie synthétique. ”The New York Times. 16 décembre 2010.

26. Cho MK, Magnus D, Caplan AL et McGee D. «Considérations éthiques lors de la synthèse d'un génome minimal», Science 286, 2087-209 (1999).

27. Weitze M et Pühler A. «Biologie synthétique - Vers une science de l'ingénieur», Revue européenne 22, S102-12 (2014).

28. «Framework for Responsible Innovation». Conseil de recherche en génie et sciences physiques.