Une nouvelle forme de vie synthétique, mais le mystère de l'origine de la vie demeure
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Les scientifiques ont créé un organisme synthétique qui possède seulement les gènes dont il a besoin pour survivre. Mais ils l’ont aucune idée du rôle d’un tiers de ces gènes.
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Traduction de l’article original sur Quanta Magazine
Si vous enlevez les différentes couches d’une maison, les murs, le toit et le plancher, alors il ne vous plus que l’ossature de la maison. Une ossature qui est identique pour toutes les maisons. Est-ce que nous pouvons faire la même chose avec la vie ? Les scientifiques enlèvent les éléments les plus complexes de la vie pour découvrir l’essence de la vie, la fondation de la biologie.
C’est ce que Craig Venter et ses collaborateurs ont essayé de faire dans une nouvelle étude publiée dans la revue Science. L’équipe de Venter a laborieusement démantelé le génome du Mycoplasma mycoides, une bactérie qui vit dans les chats, pour découvrir l’ossature des instructions génétiques qui peuvent créer la vie. Le résultat est un petit organisme appelé syn3.0 qui contient seulement 473 gènes (en comparaison, E.coli contient de 4 000 à 5 000 gènes et les humains en ont près de 20 000.). Mais même avec 473 gènes, les scientifiques ignorent le rôle d’un tiers d’entre eux. Plutôt que d’illuminer les composants essentiels de la vie, syn3.0 a révélé notre ignorance sur les principes de base de la biologie.
Sommaire
Même l’organisme le plus simple possède des secrets
Pour moi, le plus intéressant est qu’il nous dit ce que nous ignorons selon Jack Szostak, un biochimiste à l’université de Harvard. La fonction inconnue de ces gènes semble essentielle. On était totalement surpris et stupéfait selon Venter, un biologiste qui dirige le J. Craig Venter Institute en Californie. Venter est célèbre pour son rôle dans la cartographie du génome humain. Les chercheurs pensaient qu’ils découvriraient 5 à 10 % de gènes avec des fonctions inconnues, mais une valeur de 30 % est vraiment étonnante.
Venter a commencé sa quête en 1995 lorsque son équipe a déchiffré le génome du Mycoplasma genitalium (Lien vers le papier complet via Sci-Hub), un microbe qui vit dans l’appareil urinaire de l’homme. Quand les chercheurs de Venter ont commencé à travailler sur ce nouveau projet, ils ont choisi le M. genitalium, le second génome d’une bactérie qui a été complètement séquencé grâce à la taille réduite de son génome. Avec 517 gènes et 580 000 lettres d’ADN, c’est le plus petit des génomes connus dans un organisme capable de se répliquer (certains microbes symbiotiques peuvent survivre avec seulement 100 gènes, mais ils ont besoin des ressources de leur hôte pour survivre.)
Le package réduit d’ADN du M. genitalium a soulevé des questions : Quelle est la quantité minimale de gènes possibles par une cellule ? Nous voulons connaitre les gènes basiques de la vie selon Venter. Il nous semblait que c’était une bonne idée il y avait 20 ans, mais on ignorait qu’il nous faudrait 20 ans pour répondre à cette simple question et on n’a pas encore trouvé totalement la réponse.
Un design minimal
Venter et ses collaborateurs voulait créer un génome minimal en se basant sur ce qu’on sait de la biologie. Ils voulaient commencer avec des gènes impliqués dans les processus critiques d’une cellule tels que la copie ou la traduction de l’ADN. Mais avant de créer cette version simplifiée de la vie, les chercheurs devraient découvrir comment créer et construire des génomes à partir de zéro. Plutôt que de modifier l’ADN dans un organisme vivant, comme la plupart des autres chercheurs, ils voulaient avoir un meilleur contrôle en planifiant leur génome dans un modèle informatique et en synthétisant l’ADN dans des tubes de test.
En 2008, Venter et son collaborateur Hamilton Smith ont créé le premier génome synthétique d’une bactérie (lien vers le papier complet via Sci-Hub) en construisant une version modifiée de l’ADN du M.genitalium. Ensuite en 2010, ils ont créé le premier organisme synthétique capable de se répliquer. Ils ont fabriqué une version du génome du M.mycoide et ils l’ont transplanté dans une espèce différente de Mycoplasma. Le génome synthétique s’est emparé de la cellule en remplaçant le système d’exploitation natif avec une version fabriquée par l’homme. Le génome synthétique du M.mycoide était quasiment identique à la version originale excepté quelques filigranes génétiques. Les chercheurs ont ajouté leurs noms et quelques citations célèbres, notamment une version courte d’une citation de Richard Feynman : What I cannot create, I do not understand.
Avec les bons outils en main, les chercheurs ont créé une série de schémas génétiques pour leur cellule minimale et ils ont tenté de la créer. Aucun schéma n’a fonctionné selon Venter. Ils ont vu leurs échecs répétés comme une réprimande de leur orgueil. Est-ce que la science moderne possède une connaissance suffisante des principes biologiques pour construire une cellule ? La réponse était un NON tonitruant. L’équipe ensuite a utilisé une tâche plus intensive en laboratoire. Au lieu de suivre un plan génétique défini, ils ont tenté tout ce qui est possible en termes d’essais et d’erreurs. Ils ont perturbé les gènes du M.mycoides en déterminant ce qui est essentiel à la survie de la bactérie. Ils ont supprimé les gènes étrangers pour créer syn3.0 qui possède le plus petit génome d’un organisme capable de se répliquer de l’histoire de la vie sur Terre.
Qu’est-ce qui est resté après ce régime minceur drastique ? La majorité des gènes restants sont impliqués dans l’une des 3 fonctions : La production de l’ARN et des protéines, la préservation de la fidélité de l’information génétique ou la création de la membrane de la cellule. Les gènes pour modifier l’ADN étaient largement extensibles. Mais on ignore le rôle de 149 gènes restants. Les scientifiques peuvent classer grossièrement 70 gènes en se basant sur leur structure, mais ils ignorent précisément le rôle précis de ces gènes. Et la fonction de 79 gènes est un mystère complet. On ignore ce qu’ils fournissent et pourquoi ils sont essentiels à la vie. Peut-être qu’ils font quelque chose de subtil qui n’est pas évident à comprendre en biologie. C’est la triste vérité de notre série d’expériences selon Venter.
La biologie synthétique
Venter estime que syn3.0 peut être utilisé comme un châssis cellulaire qui permettra aux scientifiques de construire de nouvelles choses. Les chercheurs peuvent embellir le génome pour créer de nouveaux organismes. Cela permettrait de comprendre les étapes perdues de l’évolution au fil du temps. En théorie, on doit être capable d’ajouter des gènes à Syn3.0 pour résumer les parties essentielles de l’évolution selon Venter. Par exemple, on peut essayer de créer une bactérie plus avancée ou convertir le châssis de base dans une nouvelle classe biologique. Nous pourrions réduire des milliards d’années d’évolution en quelques années, mois ou même des semaines selon ce chercheur.
Venter et ses collaborateurs envisagent aussi d’utiliser les cellules pour des objectifs industriels. Par exemple, la création de cellules qui peuvent produire des substances pharmacologiques ou chimiques. Nous avons une cellule en production qui crée plus efficacement des omégas-3 que ceux qui provient de l’extraction des poissons. L’un des défis de la biologie synthétique, la quête de créer des cellules pour des objectifs précis, est que les organismes vivants sont imprévisibles. En théorie, une cellule minimale pourrait fournir un avantage en ingénierie parce qu’elle possède seulement quelques composants imprévisibles. Mais on ignore si c’est vrai. La plupart des efforts de la biologie synthétique concernent des microbes existants tels que E.coli et les scientifiques ne voient pas de bonnes raisons de changer.
L’équipe de Venter a déjà la migraine pour comprendre le fonctionnement des gènes mystérieux. Mais la tâche est plus compliquée par le fait que ces gènes ne ressemblent à d’autres gènes connus. Une manière de le découvrir est de créer des versions de cellule dans lesquelles on peut activer/désactiver ces gènes. Quand on les désactive, quelle est la première chose qui part en vrille se demande Szostak. Vous pouvez découvrir des problèmes généraux tels que le métabolisme ou la réplication d’ADN.
Il n’existe pas de cellule universelle de la vie
Venter évite de considérer le Syn3.0 comme une cellule minimale universelle. S’il avait fait la même série d’expériences avec un microbe différent, alors il aurait obtenu des gènes totalement différents. En fait, il n’y a pas une seule série de gènes communs dans les organismes vivants. Quand les scientifiques ont commencé à chercher il y a 20 ans, ils ont pensé qu’en comparant simplement les séquences de génome de nombreuses espèces, ils trouveront une base essentielle partagée par toutes les espèces. Mais quand les séquençages de génome se sont multipliés, la partie essentielle a disparu. En 2010, David Ussery, un biologiste à l’Oak Ridge National Laboratory au Tennessee et ses collaborateurs ont comparé 1 000 génomes. Ils ont trouvé qu’il n’y a pas un seul gène partagé parmi tous ces génomes. Il y a d’autres moyens pour avoir la série d’instructions fondamentale de la vie selon Szostak.
De plus, la partie essentielle en biologie dépend de l’environnement de l’organisme. Par exemple, imaginez un microbe qui vit en présence d’une toxine telle qu’un antibiotique. Un gène qui peut détruire la toxine sera essentiel au microbe dans cet environnement. Mais supprimez la toxine et le gène n’est plus essentiel. La cellule minimale de Venter n’est pas juste le produit de son environnement, mais c’est l’entièreté de l’histoire de la vie sur Terre. Dans le registre biologique de 4 milliards d’années de la terre, un organisme comme le Syn3.0 a existé. Cette cellule de 400 gènes n’est pas simplement tombée du ciel selon Szostak. Ce chercheur et d’autres tentent de créer des formes de vie beaucoup plus primitives qui sont représentatives de ces stages très précoces de l’évolution.
Certains scientifiques estiment que cette approche du bas vers le haut est nécessaire pour comprendre la véritable essence de la vie. Si nous comprenons l’organisme vivant le plus simple alors nous pourrons le créer et le synthétiser à partir de zéro selon Anthony Forster, un biologiste à l’université d’Uppsala en Suède. Mais nous sommes encore très loin de cet objectif.
