Proche de vraies cellules vivantes ! La technologie des cellules synthétiques peut-elle donner une nouvelle valeur à la vie ?

Produit par : Science Popularization China

Auteur : Équipe Denovo

Producteur : China Science Expo

Note de l'éditeur : Afin de décoder les derniers mystères des sciences de la vie, le projet technologique de pointe de la Chine a lancé la série d'articles « Nouvelles connaissances de la vie », sélectionnant des réalisations de pointe dans le domaine des sciences de la vie et les interprétant dans un langage clair dès que possible. Plongeons dans le monde de la vie et explorons des possibilités infinies.

Le lauréat du prix Nobel et célèbre physicien Richard Feynman a dit un jour : « Ce que je ne peux pas créer, je ne le comprends pas », ce qui signifie que si je ne peux pas créer, je ne peux pas comprendre.

Cette vision s’applique également à notre compréhension de la vie.

Ce n’est que lorsque nous sommes capables de créer la vie que nous pouvons véritablement comprendre l’essence de la vie, ce que la recherche dans le domaine des sciences de la vie a toujours voulu faire.

Alors, comment créons-nous la vie ? Une règle fondamentale dans le domaine des sciences de la vie est le « dogme central », qui stipule que l’information génétique peut se répliquer à partir de l’ADN et peut également être transférée à l’ARN, puis aux protéines, complétant ainsi la transcription et la traduction de l’information génétique. Ce processus est le processus de création de la vie. Par conséquent, théoriquement, tant que nous pourrons créer de l’ADN, il sera possible de créer artificiellement la vie et d’acquérir une compréhension plus profonde de l’essence de la vie.

L'histoire du développement de la « vie artificielle » humaine

La vie artificielle consiste à extraire des gènes d’autres formes de vie, à créer de nouveaux chromosomes artificiels, puis à les transférer dans des cellules dont le matériel génétique a été retiré. En fin de compte, ces chromosomes artificiels contrôlent la cellule et la développent en une nouvelle forme de vie.

Bien que l’histoire du développement de la vie artificielle soit relativement courte, elle regorge d’innovations et de percées. En 1953, Watson et Crick ont ​​proposé le célèbre modèle de structure en double hélice de l'ADN, qui a ouvert l'ère de la biologie moléculaire. Dans les années 1970, Herbert Boyer et Stanley Cohen ont respectivement réussi la coupure de l'ADN double brin par des endonucléases de restriction et le transfert de l'ADN plasmidique dans Escherichia coli. Ces deux réalisations innovantes n’ont pas seulement marqué la naissance du génie génétique. Par la suite, la technologie de séquençage de l’ADN inventée par Sanger a permis une « lecture » précise des séquences d’ADN. Paul Berg et Walter Gilbert ont ensuite poursuivi le développement de la technologie de l’ADN recombinant en développant des techniques de clonage moléculaire.

Ces technologies révolutionnaires ont jeté des bases importantes pour la recherche sur la vie artificielle.

Parmi elles, la réalisation réalisée par l’équipe du biologiste américain Craig Venter en mai 2010 a marqué une avancée majeure dans le domaine de la vie artificielle. Ils ont synthétisé chimiquement un génome entier en laboratoire, puis ont implanté ce génome synthétique dans une cellule vide. Cette cellule commence alors à se répliquer et à proliférer selon les instructions génétiques implantées, formant finalement de nouvelles cellules.

Bien que certains scientifiques émettent des réserves quant au fait que le travail de Venter soit basé uniquement sur une cellule résiduelle naturelle préexistante et ne crée pas de vie réelle, son expérience prouve néanmoins qu'un génome artificiel peut alimenter des cellules, ce qui fournit des informations importantes pour l'avenir de la véritable vie artificielle.

Le savant fou de la vie artificielle : Craig Venter

Lorsque l'on parle de vie artificielle, il faut mentionner le leader et le fou scientifique dans ce domaine : Craig Venter. Il est un biologiste et entrepreneur américain de renom, connu pour ses réalisations importantes au sein de la communauté scientifique. Parmi ses réalisations, on compte « le défi lancé à lui seul à des scientifiques de six pays pour achever le projet du génome humain » et « la création de nouveaux organismes », deux avancées qui ont choqué la communauté scientifique du monde entier.

Craig Venter

(Source de l'image : site officiel du Craig Venter Institute)

Dans les années 1990, des scientifiques de haut niveau de six pays, dont les États-Unis, la Grande-Bretagne, la France, l’Allemagne, le Japon et la Chine, ont participé conjointement au projet du génome humain, qui devait coûter 3 milliards de dollars pour achever le séquençage du génome humain. Cependant, après avoir dépensé la moitié du temps et de l’argent, ils n’avaient réalisé que 3 % du travail de séquençage.

Parallèlement, Craig Venter a fondé Celera Genomics, une organisation privée de recherche génétique, qui a développé de nouvelles technologies de séquençage telles que le « shotgun » et a rapidement rattrapé les progrès de l'équipe collaborative multinationale. Plus tard, Craig Venter a collaboré avec des scientifiques de six pays et a achevé avec succès l’ébauche du génome humain au début de l’année 2001.

Après l’achèvement du projet génome humain, Craig Venter a rapidement eu un nouvel idéal, qui pourrait être le but ultime des sciences de la vie : créer de nouvelles formes de vie. Craig Vent prévoit d'utiliser de petits fragments d'ADN pour synthétiser un nouveau génome et le transférer dans des bactéries dont le génome d'origine a été retiré pour observer si les minuscules bactéries peuvent métaboliser et se reproduire.

Après plus de dix ans d'efforts incessants et plus de 40 millions de dollars dépensés, l'équipe de recherche de Craig Vent a finalement créé une nouvelle bactérie en 2010. Craig Venter estime que « c'est la première espèce sur Terre dont les parents sont des ordinateurs capables de se répliquer ».

Actuellement, Craig Vent a lancé une série de nouvelles études. Il a transformé son yacht en navire de recherche et a dirigé les membres de son équipe dans une expédition dans la mer des Sargasses, près des îles Bermudes, dans l'espoir d'utiliser des matériaux locaux pour cartographier le génome de tous les micro-organismes de l'écosystème de la zone maritime. L’objectif ultime de Craig Venter est d’utiliser les gènes trouvés dans l’océan pour concevoir des formes de vie entièrement nouvelles. Une telle vie aurait la capacité de capturer le dioxyde de carbone, de freiner l’effet de serre, de nettoyer les déchets nucléaires et de produire de grandes quantités d’atomes d’hydrogène. Le développement de cette nouvelle forme de vie a le potentiel de changer l’état de l’économie énergétique mondiale.

Le parcours de recherche de Craig Vent s'étend du séquençage du génome humain à la synthèse artificielle de bactéries, en passant par la recherche de gènes bénéfiques dans l'océan pour concevoir une nouvelle vie. Il y a toujours un thème principal qui le traverse : des gènes à la vie. Qu'il s'agisse de comprendre les gènes, de synthétiser des gènes ou de trouver de nouveaux gènes, toutes les recherches de Craig Vent visent à élaborer un plan pour créer la vie et, en fin de compte, à réaliser la mission de la vie artificielle, en répondant à la question importante : « la science peut vraiment créer la vie ».

Une avancée dans la synthèse de chromosomes artificiels de levure

Les bactéries et les levures sont respectivement des représentants typiques des procaryotes et des eucaryotes. Être capable de synthétiser les génomes de ces deux espèces posera une base théorique importante pour la vie synthétique et enrichira la réserve de connaissances sur la vie artificielle. Il a fallu plus d’une décennie aux scientifiques pour synthétiser le génome des bactéries, qui sont des procaryotes, et créer une nouvelle vie. En tant qu'organisme eucaryote, la levure possède un génome avec 16 chromosomes, on peut donc imaginer la complexité et la difficulté de sa synthèse.

À cette fin, le projet de synthèse du génome de levure (Sc2.0) a été lancé à l’échelle internationale. Il s’agit de la première tentative humaine de concevoir et de synthétiser le génome d’organismes eucaryotes à partir de zéro, dans le but de repenser et de synthétiser les 16 chromosomes de Saccharomyces cerevisiae. Le projet a été lancé en 2011 et implique plus de 200 scientifiques de Chine, des États-Unis, du Royaume-Uni, de Singapour, d’Australie et d’autres pays.

Les chercheurs ont dû relever de nombreux défis pour synthétiser la séquence du génome de la levure à partir de zéro. Étant donné que le génome de la levure contient un grand nombre de séquences répétitives, ils ont supprimé les transposons et les éléments répétitifs et ont recodé les codons stop. Dans le même temps, les chercheurs ont supprimé, inséré et remplacé des bases dans la séquence génétique pour garantir que la souche synthétique avait le même phénotype que la souche naturelle tout en garantissant la stabilité du génome.

Le modèle de structure du génome de la levure présenté sur la couverture de Science en 2017, où l'or représente les chromosomes entièrement synthétisés et le blanc représente les chromosomes naturels

(Source de l'image : site officiel de Science)

Sur la base des principes et normes ci-dessus, en 2014, une équipe de recherche dirigée par le professeur Jef Boeke de l'Université de New York a réussi à créer le premier chromosome artificiel de levure - le plus petit chromosome 3. Cette réalisation a ouvert un précédent pour la synthèse du génome eucaryote.

En 2017, l’équipe Sc2.0 avait achevé la synthèse artificielle de 5 des 16 chromosomes du génome de la levure, dont 4 ont été réalisés par des scientifiques chinois. Plus précisément, l’équipe dirigée par l’académicien Yuan Yingjin de l’Université de Tianjin était responsable de la synthèse des chromosomes 5 et 10 ; l'équipe dirigée par le chercheur Dai Junbiao de l'Université Tsinghua était responsable de la conception et de la synthèse du chromosome 12 ; et l'équipe dirigée par l'académicien Yang Huanming du BGI était responsable de la conception de novo et de la synthèse complète du chromosome 2 de la levure.

D’ici 2023, le projet Sc2.0 franchira une nouvelle étape. L'équipe dirigée par le chercheur Yue Shen du BGI achèvera la conception de novo et la synthèse totale des chromosomes 7 et 13 de la levure, ainsi que la construction d'un nouveau chromosome d'ARNt. Cela marque l’achèvement réussi de la synthèse des 16 chromosomes de la levure. De plus, l’équipe a réussi à construire une souche de levure contenant 50 % d’ADN synthétique. Cette souche de levure peut non seulement proliférer activement, mais également présenter une morphologie, une longueur et une forme cellulaire normales.

En 2023, un article publié dans Cell décrit le processus d'intégration des chromosomes de levure : des cellules de levure contenant différents chromosomes synthétiques ont été hybridées, et des individus porteurs de deux chromosomes synthétiques ont été trouvés dans la progéniture. Après un long processus d'hybridation, les scientifiques ont progressivement intégré tous les chromosomes qu'ils avaient précédemment synthétisés (6 chromosomes complets et 1 bras chromosomique) dans la même cellule.

(Source de l'image : Référence [5])

Scientifiques chinois participant au projet de synthèse du génome de la levure, de gauche à droite : Li Bingzhi, Dai Junbiao, Yang Huanming, Yuan Yingjin, Shen Yue

(Source de la photo : Quotidien du Peuple)

Des cellules artificielles à nouveau améliorées : proches des vraies cellules vivantes

Les bactéries et les levures synthétisées artificiellement résolvent principalement le problème de la synthèse du génome, mais les cellules vivantes dépendent encore principalement des protéines pour remplir leurs fonctions. Le 23 avril 2024, des scientifiques américains ont publié un dernier résultat de recherche dans la revue Nature Chemistry. Ils ont créé des cellules artificielles similaires aux cellules humaines en manipulant l’ADN et les protéines. Ce résultat est d’une grande importance pour les domaines de la médecine régénérative, de l’administration de médicaments et des outils de diagnostic.

L'échafaudage cellulaire est une structure d'échafaudage importante à l'intérieur de la cellule, composée d'une série de polymères dynamiques. Il joue un rôle important dans des processus clés tels que la division cellulaire, le mouvement et la morphogenèse. Sans l’échafaudage cellulaire, la structure et la fonction de la cellule seront affectées. Les cytoscaffolds des cellules naturelles ont des structures complexes et sont reconfigurables. Ils peuvent s’assembler à différents endroits et ajuster dynamiquement leurs propres structures et propriétés mécaniques. Les peptides sont un matériau prometteur pour la construction de cytosquelette artificiel. Actuellement, les chercheurs ont étudié en profondeur la conception rationnelle des peptides pour leur permettre de s’auto-assembler en diverses structures. Cependant, la réalisation de systèmes à base de peptides dans des environnements de confinement imitant les cellules est encore limitée.

Les principaux composants des cellules et des tissus sont les protéines, qui jouent un rôle indispensable dans la formation des échafaudages cellulaires. Normalement, l'ADN n'apparaît pas dans les échafaudages cellulaires, mais les chercheurs de cette étude ont reprogrammé la séquence d'ADN pour devenir un « matériau de construction » qui se combine avec des éléments protéiques - des peptides - pour former un nouveau type d'échafaudage cellulaire qui peut changer de forme et répondre à l'environnement environnant. Il s’agit d’une nouvelle idée pour les cellules artificielles.

En fait, la reprogrammation de l’ADN n’est pas une première. Dans une étude publiée dans Nature Communications en 2023, des chercheurs ont démontré que cinq oligonucléotides (ADN) pouvaient être recuits en nanotubes, ou fibres, avec une épaisseur et une longueur réglables s'étendant sur quatre ordres de grandeur. Ces structures sont intégrées dans des vésicules de type cellulaire et sont enroulées autour de l’extérieur des vésicules, fonctionnant comme des échafaudages cellulaires. Les stratégies de reprogrammation de l’ADN peuvent être utilisées pour la conception ascendante de cellules et de tissus synthétiques, ainsi que pour la génération de dispositifs matériels intelligents pour la médecine.

La reprogrammation de l’ADN signifie que les scientifiques peuvent créer de nouvelles cellules avec des fonctions spécifiques et même affiner la façon dont les cellules réagissent au stress externe. Bien que les cellules vivantes soient plus complexes que les cellules synthétiques, elles sont également plus sensibles aux environnements difficiles tels que les températures élevées, tandis que les cellules synthétiques sont stables même à 50 °C, ce qui ouvre la possibilité de fabriquer des cellules dans des environnements qui ne sont pas adaptés à la vie humaine.

Les cellules synthétiques peuvent être chargées avec presque n’importe quelle molécule médicamenteuse. En ajoutant de minuscules particules magnétiques et en utilisant des aimants à l’extérieur du corps pour un guidage précis, ils peuvent être ciblés sur de petites zones avec des doses élevées sans affecter d’autres parties du corps. Par exemple, dans le traitement du cancer, le chargement de médicaments anticancéreux avec des cellules synthétiques peut améliorer l’efficacité des médicaments et réduire considérablement les dommages potentiels aux cellules d’autres parties du corps.

L’équipe de recherche a déclaré que la recherche aiderait les humains à comprendre la vie. La technologie des cellules synthétiques permet non seulement aux scientifiques de « reproduire » les fonctions de la nature, mais a également le potentiel d’apporter des changements majeurs dans des domaines tels que la biotechnologie et la médecine régénérative.

Construction d'échafaudages cellulaires synthétiques à l'aide de la nanotechnologie peptide-ADN

(Source de l'image : Référence [6])

Conclusion

L’étude de la vie artificielle est un moyen important pour les êtres humains de comprendre la vie. À l’heure actuelle, les scientifiques ont réussi à synthétiser artificiellement des bactéries, des levures semi-synthétiques et des cellules artificielles qui fonctionnent davantage comme des cellules vivantes. Cela favorise non seulement le développement du domaine des sciences de la vie, mais apporte également des contributions importantes au développement de la médecine régénérative tout en créant continuellement de nouvelles vies complexes.

Peut-être que dans un avenir proche, les humains seront capables de synthétiser artificiellement des cellules de tissus organiques sains pour remplacer les tissus endommagés ou malades, prolongeant ainsi la durée de vie humaine en bonne santé. Cela reflète non seulement les progrès de la science et de la technologie, mais marque également l’approfondissement de notre compréhension de la nature de la vie.

Références :

1. Gibson et al. Synthèse chimique complète, assemblage et clonage d'un génome de Mycoplasma genitalium. Sciences, 2008, 319(5867) : 1215-1220.

2.Gibson et al. Création d'une cellule bactérienne contrôlée par un génome synthétisé chimiquement. Sciences, 2010, 329(5987): 52-56.

3.Xie et al. Chromosome V de conception « parfaite » et comportement d’un dérivé en anneau. Sciences, 2017, 355, eaaf4704

4. Schindler et al. Conception, construction et caractérisation fonctionnelle d'un néochromosome d'ARNt chez la levure. Cellule, 2023. DOI : 10.1016/j.cell.2023.10.015

5. Zhao et al. Le débogage et la consolidation de plusieurs chromosomes synthétiques révèlent des interactions génétiques combinatoires. Cellule, 2023, 186 : 5220–5236

6.Daly et al. Les cytosquelettes peptide-ADN de conception régulent la fonction des cellules synthétiques. Chimie de la nature, 2024.