Les scientifiques ont exploité le potentiel des bactéries pour aider à construire des cellules synthétiques avancées qui imitent les fonctionnalités de la vie réelle.
La recherche, menée par l’Université de Bristol et publiée aujourd’hui dans La natureréalise des progrès importants dans le déploiement de cellules synthétiques, appelées protocellules, pour représenter plus précisément les compositions complexes, la structure et la fonction des cellules vivantes.
L’établissement de fonctionnalités réalistes dans les protocellules est un grand défi mondial couvrant plusieurs domaines, allant de la biologie synthétique ascendante et de la bio-ingénierie à la recherche sur l’origine de la vie. Les tentatives précédentes de modélisation de protocellules à l’aide de microcapsules ont échoué, c’est pourquoi l’équipe de chercheurs s’est tournée vers les bactéries pour construire des cellules synthétiques complexes en utilisant un processus d’assemblage de matériaux vivants.
Le professeur Stephen Mann de l’école de chimie de l’Université de Bristol et le Max Planck Bristol Center for Minimal Biology ainsi que ses collègues les Drs Can Xu, Nicolas Martin (actuellement à l’Université de Bordeaux) et Mei Li du Bristol Center for Protolife Research ont démontré une approche de la construction de protocellules très complexes utilisant des micro-gouttelettes visqueuses remplies de bactéries vivantes comme chantier microscopique.
Dans un premier temps, l’équipe a exposé les gouttelettes vides à deux types de bactéries. Une population a été capturée spontanément dans les gouttelettes tandis que l’autre a été piégée à la surface des gouttelettes.
Ensuite, les deux types de bactéries ont été détruits afin que les composants cellulaires libérés restent piégés à l’intérieur ou à la surface des gouttelettes pour produire des protocellules bactériogènes recouvertes d’une membrane contenant des milliers de molécules biologiques, de pièces et de pièces de machinerie.
Les chercheurs ont découvert que les protocellules étaient capables de produire des molécules riches en énergie (ATP) via la glycolyse et de synthétiser de l’ARN et des protéines par expression génique in vitro, indiquant que les composants bactériens hérités restaient actifs dans les cellules synthétiques.
Testant davantage la capacité de cette technique, l’équipe a utilisé une série d’étapes chimiques pour remodeler structurellement et morphologiquement les protocellules bactériogènes. L’ADN bactérien libéré a été condensé en une seule structure de type noyau et l’intérieur des gouttelettes s’est infiltré avec un réseau de type cytosquelette de filaments de protéines et de vacuoles d’eau liées à la membrane.
Comme étape vers la construction d’une entité cellulaire synthétique/vivante, les chercheurs ont implanté des bactéries vivantes dans les protocellules pour générer une production d’ATP autosuffisante et une dynamisation à long terme pour la glycolyse, l’expression des gènes et l’assemblage du cytosquelette. Curieusement, les constructions protoliving ont adopté une morphologie externe semblable à celle de l’amibe en raison du métabolisme et de la croissance bactériens sur place pour produire un système bionique cellulaire avec des propriétés réalistes intégrées.
L’auteur correspondant, le professeur Stephen Mann, déclare qu’« il est difficile d’atteindre une complexité organisationnelle et fonctionnelle élevée dans les cellules synthétiques, en particulier dans des conditions proches de l’équilibre. Espérons que notre approche bactériogène actuelle contribuera à accroître la complexité des modèles de protocellules actuels, facilitera l’intégration composants biologiques et permettre le développement de systèmes cytomimétiques énergisés. »
Le premier auteur, le Dr Can Xu, associé de recherche à l’Université de Bristol, a ajouté que leur « approche d’assemblage de matériaux vivants offre une opportunité pour la construction ascendante de constructions symbiotiques de cellules vivantes/synthétiques. Par exemple, en utilisant des bactéries modifiées, il devrait être possible de fabriquer des modules complexes pour le développement dans les domaines diagnostiques et thérapeutiques de la biologie synthétique ainsi que dans la biofabrication et la biotechnologie en général. »
Stephen Mann, Assemblage matériel vivant de protocellules bactériogènes, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-05223-w. www.nature.com/articles/s41586-022-05223-w