Des chercheurs du laboratoire britannique de biologie moléculaire du Medical Research Council ont réussi à créer une bactérie E. coli avec un ADN entièrement humain, marquant ainsi une étape importante dans le domaine en plein essor de la biologie synthétique et ouvrant la voie à de futures innovations reposant sur des bactéries dites "de concepteurs" .
Selon une nouvelle étude publiée dans la revue Nature, le génome de synthèse est de loin le plus important du genre. Produit d'une campagne de recherche de deux ans, l'ADN repensé comprend quatre millions de segments, soit quatre fois plus que le précédent détenteur du record. Peut-être le plus impressionnant est-il que la bactérie ne contient que 61 codons, par opposition aux 64 présents chez presque toutes les créatures vivantes. En dépit de cette disparité apparente, les bactéries synthétiques semblent fonctionner beaucoup comme E. coli normal . Les principales différences, selon Carl Zimmer du New York Times, sont un taux de croissance plus lent et une durée plus longue.
"Il était totalement incertain de savoir s'il était possible de créer un génome de cette taille et de le modifier autant", explique le co-auteur de l'étude, Jason Chin, biologiste à l'Université de Cambridge, au Ian Guard .
Mais comme le dit Tom Ellis, directeur du Centre de biologie synthétique à l'Imperial College London et critique de l'étude, à Ryan Mandelbaum de Gizmodo, les efforts de l'équipe ont finalement abouti à un «tour de force» pour le domaine: «Ils ont synthétisé, construit, et a montré qu'un génome synthétique de 4 millions de paires de bases pourrait fonctionner », déclare Ellis. "C'est plus que n'importe qui l'avait fait avant."
Pour «recoder» un génome, les scientifiques doivent manipuler les 64 codons, ou combinaisons à trois lettres des molécules d'ADN A, T, C et G (abréviation d'adénine, thymine, cytosine et guanine), qui alimentent tous les organismes vivants. Puisque chacune des trois positions dans un codon peut contenir n'importe laquelle des quatre molécules, il y a 64 combinaisons possibles au total (4 x 4 x 4). Ces combinaisons, à leur tour, correspondent à des acides aminés spécifiques ou à des composés organiques qui construisent les protéines nécessaires à la vie. Le TCA, par exemple, correspond à l'acide aminé serine, tandis que l'AAG spécifie la lysine. La TAA agit comme un signe d'arrêt, signalant à l'organisme de cesser d'ajouter des acides aminés à une protéine en développement, explique Sharon Begley de STAT.
Ce processus, déjà complexe, présente un autre inconvénient: comme il n’ya que 20 acides aminés associés au code génétique, plusieurs codons peuvent correspondre à un acide. La sérine, par exemple, est liée non seulement à TCA, mais également à AGT, AGC, TCT, TCC et TCG. Comme John Timmer écrit pour Ars Technica, l'inadéquation du nombre de codons par rapport aux acides aminés rend 43 codons largement étrangers. Bien que les cellules utilisent ces ensembles supplémentaires comme codes d'arrêt, outils de régulation et voies plus efficaces vers le codage d'une protéine spécifique, il n'en reste pas moins que beaucoup d'entre elles sont redondantes.
Déterminer à quel point ces codons supplémentaires étaient redondants a nécessité de nombreux essais et erreurs. Chin dit à Begley: "Il existe de nombreuses façons de recoder un génome, mais bon nombre d'entre elles posent problème: la cellule meurt."
Pour créer le génome de synthèse réussi, Chin et ses collègues ont remplacé chaque instance des codons de sérine TCG et TCA par AGC et AGT, respectivement. L'équipe a également remplacé chaque codon TAG, signalant un arrêt, par du TAA. En fin de compte, note Zimmer dans le New York Times, l'ADN recodé utilisait quatre codons sérine plutôt que quatre et deux codons stop plutôt que trois. Heureusement, les scientifiques n'ont pas eu à faire ce travail à la main. Au lieu de cela, ils ont procédé aux 18 214 remplacements en traitant le code de E. coli comme un énorme fichier texte et en effectuant une fonction de recherche et remplacement.
Transférer cet ADN synthétique dans la bactérie s'est avéré être une tâche plus difficile. Compte tenu de la longueur et de la complexité du génome, l'équipe n'a pas pu l'introduire dans une cellule en une seule tentative. Au lieu de cela, les scientifiques ont abordé le travail par étapes, en fragmentant minutieusement le génome et en le transplantant petit à petit dans des bactéries vivantes.
Les chercheurs ont réalisé un double résultat, a déclaré Chin dans une interview avec Antonio Regalado du MIT Technology Review . Le génome redessiné est non seulement une «réalisation technique», mais il «vous dit également quelque chose de fondamental sur la biologie et sur la malléabilité du code génétique».
Selon l’échantillon du Guardian, les travaux de recherche pourraient aider les scientifiques à créer des bactéries résistantes aux virus, conçues pour l’utilisation dans l’industrie biopharmaceutique; E. coli est déjà utilisé pour fabriquer de l'insuline et des composés médicaux destinés au traitement du cancer, de la sclérose en plaques, des crises cardiaques et des maladies des yeux, mais grâce à la sensibilité de l'ADN non synthétique à certains virus, la production peut être facilement stoppée.
Une autre implication clé de l’étude porte sur les acides aminés. Comme l'écrit Roland Pease de BBC News, l'utilisation par le génome d' E. Coli de 61 codons possibles en laisse trois ouverts pour la reprogrammation, ouvrant ainsi la porte à des «blocs de construction non naturels» capables de remplir des fonctions auparavant impossibles.
Parlant à Zimmer, Finn Stirling, biologiste de la synthèse à la Harvard Medical School qui n’a pas participé à la nouvelle recherche, conclut: «En théorie, vous pouvez tout coder.
