La promesse des cellules synthétiques

Depuis plus d’une décennie, les scientifiques ont réalisé des progrès extraordinaires dans le rêve de longue date de fabriquer une cellule entière à partir de molécules et de matériaux non vivants.

De tels synthétiques (ou «conçu« ) Les cellules se comporteraient de la même manière que celles de notre corps, mais elles seraient également dotées de dispositifs de protection intégrés garantissant la sécurité et l’éthique. En les étudiant, nous pourrions transformer notre compréhension des règles de la vie. Elles pourraient également être utilisées pour manipuler les organismes vivants et réaliser des percées étonnantes en médecine et en science.

En 2010, l’Institut J. Craig Venter annoncé Elle avait créé la première « cellule bactérienne synthétique autoréplicative » contenant un génome synthétisé à l’extérieur de la cellule puis transplanté dans celle-ci. Elle était alors capable de se diviser et de se reproduire selon les instructions de son nouveau code ADN.

Depuis lors, les chercheurs sont devenus de plus en plus ambitieux, cherchant à synthétiser d’autres composants cellulaires et à construire une cellule entière à partir de zéro.

« Nous sommes plus proches que jamais auparavant », a déclaré Institut national des normes et de la technologie la physicienne Elizabeth A. Strychalski. La quête pour créer une cellule synthétique à partir de zéro « est une capacité qui est, si elle n’est pas à notre porte, peut-être, vous savez, dans notre boîte aux lettres. »

Une grande partie des progrès récents repose sur des avancées technologiques qui ont rendu plus facile et moins coûteuse la synthèse de longs brins d’ADN en laboratoire.

Les scientifiques du monde entier ont également mis au point des méthodes ingénieuses pour produire des versions basiques de membranes, de mitochondries et d’autres composants cellulaires. Et en utilisant de nouvelles techniques qui leur permettent de manipuler de minuscules quantités de liquide, ils commencent à amener ces parties cellulaires synthétisées à interagir et à communiquer.

Au NIST, le groupe de recherche de Strychalski contribue à établir les mesures et les normes fondamentales pour de nouveaux progrès en biologie de l’ingénierie (également appelée biologie synthétique).

Le NIST collabore également avec le J. Craig Venter Institute sur le «cellule minimale« Une cellule synthétique réduite à sa plus simple expression. Au lieu de plusieurs parties et composants synthétiques, seul son génome est synthétisé. Selon Strychalski, cette cellule minimale aidera les chercheurs à atteindre « le Saint Graal de la compréhension du rôle de chaque gène dans la cellule humaine ».

Nous avons parlé avec elle de son travail et d’un article récent elle est co-auteur de ACS Biologie synthétique qui explore l’état de la recherche dans son domaine.

Commençons par la question la plus fondamentale : comment saurons-nous que nous avons construit une cellule synthétique à partir de zéro ?

Il est probable qu’une cellule possède des propriétés importantes, comme la capacité de se répliquer, un métabolisme et une certaine forme d’organisation interne ou de compartimentation. Certaines propriétés apparaissent lorsque vous commencez à assembler les composants d’une cellule, comme la capacité de répondre à certains types de stimuli dans votre environnement et la capacité de se déplacer.

Maintenant, allons-nous exiger que notre cellule synthétique possède toutes ces propriétés ou seulement certaines d’entre elles ? C’est encore une question ouverte et cela dépendra de son application. Mais il est certain que ce sont tous des attributs d’une cellule synthétique construite à partir de zéro que nous voudrions éventuellement intégrer.

Comment de telles cellules synthétiques pourraient-elles être utilisées pour traiter des maladies ?

Une grande partie des maladies qui affectent les gens peuvent être attribuées à des cellules qui ne fonctionnent pas correctement.

Supposons que les cellules soient prises sous forme de capsule et que nous les ayons conçues pour détecter un certain état pathologique. Il se peut que vous soyez empoisonné par une bactérie nocive ou que votre corps ne soit pas capable de produire une certaine protéine.

Les cellules synthétiques pourraient résoudre ce problème en tuant peut-être ces bactéries nocives ou en aidant votre corps à fabriquer toutes les molécules qu’il est censé fabriquer afin que vous n’ayez pas cette maladie.

Vous écrivez dans votre article de journal sur le rôle que les cellules synthétiques pourraient jouer dans l’exploration spatiale.

L’un des aspects passionnants de la construction de cellules synthétiques est que nous pouvons réfléchir à la fabrication de cellules synthétiques ou de systèmes de type cellulaire qui pourraient être beaucoup mieux adaptés à un environnement spatial, que ce soit dans un vaisseau spatial ou à la surface d’une autre planète.

Il existe également de nombreuses possibilités d’utiliser les cellules comme des usines pour fabriquer des produits, des médicaments, des matériaux de construction, de la nourriture ou tout ce dont on pourrait avoir besoin dans ces environnements aux ressources limitées. Et ce qui est bien avec les cellules synthétiques, c’est qu’il n’est pas nécessaire de quitter la surface de la Terre avec beaucoup de cellules pour les faire pousser dans l’espace, où l’on pourrait en vouloir beaucoup.

Pourrions-nous synthétiser des cellules conçues ou des systèmes de type cellulaire qui exploreraient la diversité biologique au-delà de ce qui existe actuellement dans la nature ?

Vous savez, nous étudions les cellules au fur et à mesure de leur évolution sur Terre. Nous ne savons pas dans quelle mesure ce que nous voyons aujourd’hui est dû à cela, car cela devait se produire de cette façon et n’aurait pas pu se produire autrement.

Comment pouvons-nous entrer en laboratoire, remonter le temps et envisager d’autres possibilités ?

Par exemple, les acides nucléiques de l’ADN sont constitués de quatre bases : l’adénine (A), la thymine (T), la guanine (G) et la cytosine (C). Il est possible de fabriquer en laboratoire des bases supplémentaires que nous ne trouvons pas dans la nature et qui semblent fonctionner tout aussi bien.

Comment pouvons-nous garantir l’éthique et la sécurité ?

Il est essentiel que chacun ait son mot à dire sur la manière dont nous développons ces technologies, dont nous les utilisons et qui y a accès.

Nous avons désormais la possibilité de renforcer la sécurité au lieu de regarder en arrière et d’essayer de la rétablir. Je suis donc un grand partisan de l’idée de commencer par une mentalité de sécurité.

Par exemple, comment pouvons-nous garantir que les cellules synthétiques ne peuvent pas se développer en dehors de l’endroit où nous voulons qu’elles soient ? Pouvons-nous construire des « interrupteurs d’arrêt » à l’intérieur des cellules synthétiques ? Lorsqu’elles sortent de votre corps, elles peuvent détecter la différence de température, déclenchant une réaction de stress dans les cellules qui les fait mourir.

Une autre chose dont nous avons besoin, ce sont des mesures de contrôle rigoureuses pour garantir que les personnes qui commandent des extraits synthétiques de code ADN ou des cellules synthétiques ne commandent pas des produits qui pourraient être nocifs.

Parlez-nous du rôle du NIST dans tout cela.

J’aime penser à la construction de cellules synthétiques dans une perspective de contrôle. Les chercheurs tentent de contrôler le fonctionnement de ces systèmes et de le faire en toute sécurité.

Pour avoir ce type de contrôle, nous devons mesurer quantitativement et avec certitude ce que fait le système. Comment saurions-nous sinon qu’il a atteint sa fonction prévue ?

Nous réfléchissons à la manière dont ces cellules synthétiques peuvent effectuer ces mesures. Il s’agit de construire des circuits biomoléculaires pour effectuer des mesures et même des calculs à l’intérieur des systèmes vivants.

Qu’est-ce qui vous motive dans vos recherches ?

Nous vivons actuellement une révolution biotechnologique. Nous sommes confrontés à de réels problèmes auxquels nous devons faire face en tant que société et nous avons besoin des biotechnologies pour nous aider à les résoudre.

Il s’agit aussi de découverte. Une fois que nous aurons compris comment construire des cellules synthétiques à partir de zéro, nous pourrons mieux comprendre ce que signifie être humain.