Les scientifiques rêvent depuis longtemps de découvrir l’alchimie qui transforme les produits chimiques en vie. Mercredi, une équipe de l’Université du Minnesota a annoncé une étape majeure vers cette vision.
En mélangeant des dizaines d’ingrédients, les chercheurs ont assemblé des cellules simples qui se nourrissent, grandissent, se reproduisent et se font concurrence. Si ces cellules ne sont pas pleinement vivantes, elles présentent la plupart des signes de vie.
“La vie n’est pas un système binaire”, a déclaré Keith Adamala, biologiste synthétique qui a dirigé l’étude. “C’est pourquoi j’hésite à l’appeler ‘live’. Il n’y a pas de ligne claire quant à la façon dont nous voulons que cela se passe.”
Le biologiste synthétique John Glass de l’Institut J. Craig Venter de La Jolla, en Californie, qui n’a pas participé à l’étude, a déclaré que jusqu’à présent, les scientifiques n’avaient jamais maîtrisé la recette d’une cellule capable de remplir autant de fonctions.
“C’est incroyable de voir comment il a mis toutes ces choses ensemble”, a-t-elle déclaré.
“C’est une cellule créée, pas une cellule née. Elle est créée, mais elle fait ce que font les cellules”, explique Drew Andy, biologiste synthétique à l’Université de Stanford.
Le Dr Adamala a nommé sa création SpudCell en référence à son apparence de pomme de terre. Au lieu de breveter, lui et le Dr Andy organisent une communauté de scientifiques chargés de donner vie aux SpudCells et de les adapter à de nouveaux types d’expériences.
Fondé par eux et leurs collègues un organisme de recherche à but non lucratif Le Dr Andy estime que cet effort coûtera des centaines de millions de dollars au cours de la prochaine décennie. Des centaines d’universitaires sont attendus.
“Nous allons rater ce moment”, a déclaré Roseanna Zia, biologiste informatique à l’Université du Missouri qui n’a pas participé au projet.
Dr Adamala et collègues Un compte rendu de 190 pages a été publié leur travail en ligne. La recherche est en cours d’examen en vue d’une publication dans une revue scientifique.
Les scientifiques espèrent que les cellules synthétiques pourront nous renseigner sur la vie que les cellules naturelles ne peuvent pas nous renseigner, y compris sur des questions fondamentales telles que le nombre de gènes nécessaires à la plus petite forme de vie.
Mais les cellules synthétiques pourraient un jour être conçues pour faire des choses que les cellules naturelles ne peuvent pas faire, comme produire de nouveaux types de médicaments ou extraire de grandes quantités de dioxyde de carbone de l’atmosphère. En théorie, les SpudCells pourraient produire une grande variété de protéines que les cellules naturelles ne peuvent pas produire, et même des produits chimiques toxiques comme le carburant pour fusée.
“Maintenant, nous ne pouvons plus penser à faire de la chimie”, a déclaré le Dr Glass.
Les problèmes de la vie telle que nous la connaissons : la complexité mystérieuse et désordonnée. Notre ADN contient des dizaines de milliers de gènes et des millions de commutateurs moléculaires qui activent et désactivent ces gènes. Scientifiques je comprends à peine à propos Quels sont la plupart des morceaux d’ADN ? Souvent, les gènes qu’ils pensaient comprendre s’avéraient réaliser un travail différent de celui imaginé par les scientifiques.
Une façon d’éviter cette complexité est de simplifier.
L’équipe leader dans les années 1990 le regretté biologiste Craig Venter Les microbes comportant moins de 1 000 gènes ont commencé à être étudiés. Aujourd’hui, une équipe dirigée par le Dr Glass continue de disséquer le génome microbien en 525 gènes essentiels.
Un article de 2016 rapportait que l’équipe ne savait pas Ce que faisaient un tiers de ces gènes. Le Dr Glass et ses collègues ont passé les 10 dernières années à essayer de résoudre l’énigme, mais ils ne peuvent toujours pas dire ce que fait 56.
“Chaque cellule a encore des fonctions importantes que nous ignorons”, a déclaré le Dr Glass.
D’autres chercheurs ont abordé cette question sous un angle opposé. Au lieu de travailler de haut en bas, ils ont procédé de bas en haut, cherchant à combiner des molécules non vivantes pour former des cellules vivantes.
Depuis les années 1990, plusieurs laboratoires se sont penchés sur de petites parcelles du problème. Certains d’entre eux ont mis au point la formule permettant de fabriquer des bulles creuses à partir de molécules huileuses. D’autres ont trouvé des moyens d’encapsuler de simples molécules génétiques à l’intérieur de ces bulles.
Mais les scientifiques ont eu du mal à intégrer ces éléments dans des systèmes plus complexes, sans parler de ce que l’on pourrait appeler des cellules.
Ces dernières années, le Dr Adamala s’est attaqué à l’un des principaux défis : la division cellulaire. Les cellules naturelles se divisent au moyen d’anneaux et de protéines d’ancrage fixées à la paroi interne. L’anneau lui-même se resserrera davantage, pinçant la cellule en deux.
D’autres protéines agissent comme des navettes, déplaçant l’ADN et d’autres molécules vers les cellules productrices, où elles contiennent les composants nécessaires à la vie.
Premièrement, le Dr Adamala a essayé de créer une version plus simple du système naturel. Mais il a ensuite décidé de ne pas imiter du tout les vraies cellules.
Les biophysiciens ont découvert que lorsqu’une protéine adhère à une membrane, elle crée une pression qui fait plier la membrane. Le Dr Adamala et son équipe ont créé des bulles capables de piéger les protéines flottantes. Une fois que la balle a collecté suffisamment de protéines, sa surface se plie vers l’intérieur et se forme jusqu’à se diviser en deux.
L’idée était simple, mais il a fallu un an de tests pour la faire fonctionner en laboratoire. “Mais une fois que ça marche, ça marche”, explique le Dr Adamala.
Ce succès a conduit l’équipe à tenter de créer des cellules entièrement synthétiques.
La première étape consistait à créer la soupe de molécules nécessaires au fonctionnement des cellules. La recette comprenait une centaine de types de protéines et de molécules simples nécessaires à des réactions chimiques importantes, telles que la fabrication de nouvelles protéines à partir de gènes.
Les chercheurs ont fourni à leurs cellules synthétiques des gènes provenant de virus et du microbe omniprésent Escherichia coli. Ils ont choisi 36 gènes pour des tâches de base comme la réplication de l’ADN.
Après avoir mélangé ces ingrédients dans une soupe, les scientifiques ont ajouté les éléments constitutifs de la membrane. Ils se sont spontanément regroupés en bulles, chacune absorbant le bouillon.
Beaucoup de ces bulles encapsulaient le bon mélange de gènes, de protéines et d’autres molécules et commençaient à réaliser les réactions chimiques observées dans les cellules réelles.
Alors que les nouvelles cellules flottaient dans le flacon, le Dr Adamala et ses collègues ont ajouté de la nourriture. Ces cellules sécrètent de petites molécules à travers des canaux situés à leur surface.
Les scientifiques ont fabriqué de petites billes remplies de protéines et d’autres molécules trop grosses pour tenir dans les canaux. En entrant en collision avec l’une de ces bulles et en se dissolvant, elles se nourrissent d’une friandise intracellulaire.
Au fur et à mesure que les cellules se nourrissaient, elles grandissaient. Et en quelques heures, ils étaient suffisamment grands pour se diviser.
Les scientifiques ont ajouté une protéine spéciale au flacon, qui adhère à la surface de la cellule et la fait se replier vers l’intérieur. Après la division cellulaire, de nouvelles paires de cellules ont continué à croître.
Maintenant, les SpudCells grandissent, se nourrissent et se multiplient. Il s’avère que chaque cellule était capable d’une évolution primitive.
Le Dr Adamala et ses collègues ont créé une version mutante plus étroitement liée aux bulles remplies de collations qui flottent autour d’elle. Pour tester cela, ils ont créé un mélange 50-50 de SpudCells originales et mutantes.
Ces cellules ont rivalisé pour la nourriture pendant cinq générations. En fin de compte, les mutants étaient plus nombreux que les originaux, et il a été conclu qu’ils étaient devenus trop grands pour les originaux en termes de nourriture.
Le Dr Zia a déclaré : « Il s’agit d’une réalisation vraiment remarquable. Les scientifiques seront capables d’affronter différentes cellules synthétiques les unes contre les autres et de développer plus rapidement des cellules plus sophistiquées.
Malgré toutes ces preuves de vie, SpudCell présente encore un défaut majeur. Premièrement, l’usine moléculaire qui fabrique de nouvelles protéines, appelées ribosomes, ne peut pas être créée. Les cellules peuvent transporter tous les gènes nécessaires à la fabrication des ribosomes, mais pour une raison quelconque, les morceaux ne s’emboîtent pas.
Pour l’instant, le Dr Adamala et ses collègues doivent nourrir SpudCells avec des ribosomes prêts à l’emploi. Cette solution a cependant une date de péremption : les SpudCells peuvent fabriquer des protéines pendant cinq à dix générations avant que leurs ribosomes ne soient endommagés et ne tombent en panne.
“Je ne veux pas dire qu’il meurt, mais il cesse de fonctionner”, a déclaré le Dr Adamala.
Lorsque le Dr Adamala a montré SpudCell au Dr Andy l’année dernière, il a été tellement impressionné qu’il a décidé d’aider à fonder Biotics, une organisation à but non lucratif dédiée à la création d’une communauté de chercheurs SpudCell.
Le Dr Andy a déclaré : « J’y consacre le travail de ma vie. L’une des premières tâches en biotique est de permettre à d’autres scientifiques de créer plus facilement des SpudCells.
Le Dr Adamala peut préparer un nouveau lot dans son laboratoire en une journée. Mais c’est uniquement parce qu’elle a un congélateur rempli de purée de protéines et qu’elle comprend chaque étape de sa recette. Biotics espère fournir aux scientifiques des recettes plus simples et fournir les ingrédients nécessaires.
Le Dr Andy espère que l’outil open source aidera les scientifiques à créer de nouveaux types de SpudCells avec des caractéristiques de vie plus spécifiques, telles que la fabrication de leurs propres ribosomes et la division indéfinie.
“C’est tout à fait possible”, a déclaré le Dr Glass.
Les chercheurs en biologie prévoient de tenir leur première réunion en septembre à Philadelphie. La formalisation d’un plan de conservation pour ce domaine de recherche figurera en bonne place sur leur liste de priorités.
Actuellement, les cellules synthétiques ne peuvent survivre que quelques générations grâce à un régime alimentaire spécial en laboratoire. Mais les versions futures pourraient être plus robustes, augmentant ainsi la probabilité que quelqu’un utilise un jour SpudCells pour créer des armes contraires à l’éthique, voire même.
Le Dr Andy estime que la communauté de recherche open source sera mieux équipée pour empêcher que cela ne se produise. “Nous pouvons avoir ces conversations maintenant au lieu d’attendre que quelqu’un d’autre le fasse, et alors nous réagirons tous”, a-t-il déclaré.
Le Dr Andy a comparé SpudCells à une version biologique de l’avion Wright, utilisé par les frères Wright en 1903 pour effectuer le premier vol habité soutenu, ouvrant ainsi la voie à l’ère de l’avion.
“Une feuille Wright de 12 secondes ne vous donnera pas un 737”, a déclaré le Dr Andy. “Ce n’est que le début.”