L’équipe développe le premier système acellulaire dans lequel l’information génétique et le métabolisme fonctionnent ensemble

La capacité de tous les systèmes vivants à se développer, à s’organiser et à se maintenir repose sur un processus cyclique dans lequel les gènes et le métabolisme interagissent en parallèle. Alors que les gènes codent les composants du métabolisme, ce dernier fournit l’énergie et les éléments de base nécessaires au maintien et au traitement de l’information génétique.

En biologie synthétique, les chercheurs explorent les principes de la vie en reconstruisant ses systèmes de bas en haut, en commençant par le nombre minimum de pièces requises. Ces dernières années, cette approche a permis de développer des réseaux métaboliques complexes et des systèmes génétiques acellulaires en dehors de l’environnement cellulaire, in vitro, par exemple dans des chambres microfluidiques.

Le point commun de ces approches est que tous les biocatalyseurs qui fonctionnent dans ces systèmes sont ajoutés de l’extérieur, et l’ensemble du processus ne continue que tant qu’il est alimenté par un flux continu de nouveaux éléments de base, d’informations et d’énergie.

En reliant les niveaux métabolique et génétique, les chercheurs souhaitent créer des systèmes biologiques synthétiques autonomes capables de générer leurs propres éléments constitutifs et de piloter des processus de manière réciproque, comme dans les cellules vivantes. Une équipe dirigée par Tobias Erb de l’Institut Max Planck de microbiologie terrestre de Marbourg, en Allemagne, a franchi une étape importante vers cet objectif.

L’équipe a développé le premier système acellulaire dans lequel un réseau génétique et un réseau métabolique fonctionnent mutuellement. Le système produit lui-même des enzymes métaboliques et fonctionne aussi bien en éprouvette que dans des cellules artificielles. Il est basé sur le cycle de Cetch synthétique, un réseau métabolique qui utilise le CO₂ comme matière première pour produire des molécules organiques.

Le travail est publié dans la revue Science.

L’astuce : l’interdépendance

« Nous avons couplé le cycle de Cetch avec un système génétique existant appelé Pure, une machine de transcription et de traduction synthétique qui fonctionne avec un mélange de ribosomes, d’ADN, d’ARN et de protéines, à l’extérieur des cellules vivantes. Nous avons conçu les deux niveaux pour fonctionner ensemble comme un moteur. Une fois lancé, il continue à fonctionner car les deux réseaux se nourrissent l’un de l’autre », explique Simone Giaveri, membre de l’EMBO et premier auteur de l’article.

Pour que cela fonctionne, les chercheurs ont rendu les composants dépendants les uns des autres. Ils ont programmé Pure pour produire deux des enzymes Cetch. Cependant, cette variante Pure ne contient pas l’acide aminé essentiel glycine, qui est nécessaire à la construction des protéines. Cetch a été modifié pour produire de la glycine directement à partir du CO₂Comme Pure obtient la glycine de Cetch, le cycle est fermé.

Pour prouver que leur approche fonctionnait, les chercheurs ont d’abord ajouté de la glycine à Pure, qui contenait les informations nécessaires à la production d’une protéine fluorescente. Sa lueur indiquait l’activité recherchée du réseau génétique. L’étape suivante consistait à introduire le cycle de synthèse de Cetch. Une fois la voie de synthèse introduite, le système couplé est devenu capable de produire la glycine elle-même, et à son tour deux protéines de Cetch, ainsi que la protéine fluorescente.

Parmi les plus de 50 protéines présentes dans le système, celui-ci n’en produit que deux de lui-même. Pourtant, c’est tout ce dont il a besoin pour lancer le cycle de synthèse.

« Sans la composante génétique et la rétroaction mutuelle, le cycle ne durerait que moins d’une heure. Le fait qu’il y ait une auto-régénération signifie qu’il durera au moins douze heures avant que le système ne s’arrête pour diverses raisons, par exemple parce que des composants tombent en panne ou que des sous-produits s’accumulent trop », explique Giaveri. « Il faut le démarrer avec une quantité minimale de glycine et il continuera. »

La plupart des éléments du métabolisme synthétique proviennent encore de l’extérieur.

« Nous sommes encore loin d’un système capable de régénérer tous ses composants », explique Erb. Il faudrait pour cela coder des réseaux métaboliques complets, coder des programmes d’auto-réparation pour prolonger la durée de vie des systèmes in vitro, ainsi qu’intégrer des cycles de recyclage biochimique.

« Jusqu’à présent, nous n’avons réussi à produire qu’un seul élément de base, et nous sommes encore loin de pouvoir produire tous les éléments de base à partir du CO₂. Nous avons cependant développé un système d’exploitation de base qui bénéficiera des développements futurs dans ce domaine de recherche en pleine évolution. En regardant encore plus loin dans le futur, on peut imaginer qu’à l’avenir, nous serons capables de faire fonctionner un tel système avec de l’électricité légère, voire durable.”

Un système d’exploitation de base pour les futurs systèmes durables

L’orchestration de plus de 50 protéines, sources d’énergie, informations génétiques et éléments constitutifs est le résultat d’un nombre considérable d’expériences au cours desquelles Giaveri a testé et optimisé des combinaisons en parallèle. Chaque élément du système hautement complexe de Giaveri est conçu précisément pour son objectif.

« Notre système peut être utilisé comme unité opérationnelle, comme moteur de base pour les systèmes in vitro », explique Erb. « Et comme il est basé sur le CO₂cela deviendrait possible de manière totalement durable, car cette matière première est disponible en quantités pratiquement illimitées.”