Des cellules artificielles ayant une composition différente mais une physiologie très proche des cellules naturelles ont été élaborées aux États-Unis. Elles pourraient permettre d’étudier des mécanismes comme la communication cellulaire.

Ces cellules sont « les plus proches de la version naturelle, comparées à toutes les cellules eucaryotes synthétiques construites et fonctionnelles » selon la biologiste Kate Adamala, qui n’a pas participé à cette étude. « Il s’agit peut-être du papier le plus important en biologie synthétique cette année ».

En effet, des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego ont créé des cellules artificielles ayant pour membrane plasmique une matière plastique, de l’acrylate polymérisé. Elles contiennent également un ADN à l’intérieur d’un noyau constitué principalement de minéraux que l’on retrouve dans l’argile.

Ce n’est pas la première fois que des pseudo-cellules capables d’exprimer des gènes sont créées, mais un des processus qui a été jusqu’à présent difficile à reproduire est la communication cellulaire, ce que le biologiste chimique Neal Devaraj et ses collègues ont réussi avec leurs cellules « plastifiées ». Ces dernières pouvaient exprimer et envoyer des protéines de signalisation aux cellules adjacentes, déclenchant ainsi un comportement commun. Le noyau était également capable de répondre aux stimuli provenant des cellules voisines.

Devaraj explique que la communication cellulaire est nécessaire pour reproduire certaines fonctions biologiques. Des cellules artificielles pouvant transférer entre elles des petites molécules comme du sucre ou du peroxyde d’hydrogène, avaient déjà été créées par le passé, mais à présent, avec les cellules qu’il a élaboré, des molécules ayant des tailles plus conséquentes, comme les protéines de signalisation, peuvent être échangées.

Les chercheurs ont utilisé une puce de silicium avec des canaux microscopiques remplis de fluide pour former de minuscules gouttelettes ayant, à l’intérieur, les différents composés artificiels, tels que les minéraux de l’argile, l’ADN, et les molécules d’acrylate.

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Ils ont ensuite utilisé des traitements chimiques et de la lumière ultraviolette pour engendrer la formation de pores sur les gouttelettes. Au même moment, les composés à l’intérieur de ces gouttelettes, comme l’ADN et les minéraux de l’argile, se condensaient en une texture ressemblant à un gel, formant finalement le noyau.

Pour vérifier si leurs cellules artificielles pouvaient communiquer entre elles, Devaraj a inséré dans une partie de ces cellules, un ADN pouvant exprimer une protéine fluorescente verte (PVF), et à d’autres, un ADN spécial capable de capturer et retenir les PVF. Ils ont ensuite également ajouté dans le milieu dans lequel les cellules baignaient, diverses autres molécules nécessaires pour la synthèse des protéines, comme des ribosomes, qui ont pu traverser la membrane poreuse des cellules synthétiques.

Les scientifiques ont finalement mélangé les deux types de cellules, et ont constaté que les cellules ayant « l’ADN captureur » devenaient vertes fluorescentes, comme les cellules exprimant les PVF et qui les leur ont transmises lorsqu’il y avait contact entre elles.

cellules artificielles proteine-fluorescente verte communication

Les PVF sont relâchées dans le milieu par les cellules les exprimant (ici en violet), et sont reprises par les autres cellules contenant « l’ADN captureur », qui deviennent alors vertes par la suite. Crédits : Henrike Niederholtmeyer

Ils ont ensuite effectué une expérience similaire, où des cellules qui produisaient une protéine activant l’expression de la PVF étaient mélangées avec d’autres qui possédaient le gène de la PVF, mais qui avaient besoin de cette protéine activatrice pour l’exprimer. Quelques heures après le mélange, ces dernières exprimaient la PVF, montrant qu’il y avait eu une communication avec les cellules contenant les protéines activatrices.

Dans cette dernière expérience, ces cellules artificielles ont également montré qu’elles étaient capables d’effectuer de la détection du quorum, un mécanisme où l’expression de certains gènes est synchronisée dans une population de cellules grâce à des signaux cellulaires. Mais cela n’est possible uniquement qu’à une densité minimum de cellules.

Les chercheurs ont remarqué que lorsque les milieux contenaient peu de cellules, celles qui avait besoin de l’activateur ne produisaient pas de PVF, mais à un certain seuil de densité, ces dernières pouvaient en exprimer, montrant qu’elles ont besoin d’une certaine quantité de la protéine activatrice pour s’activer.

Ces cellules ont également montré une grande résistance aux variations de l’environnement. Elles ont pu être conservées durant 2 ans dans des congélateurs.

Devaraj est très enthousiaste quant aux divers usages possibles de ces cellules à l’avenir. Elles pourraient permettre de délivrer des médicaments dans une zone spécifique de manière plus précise, ce qui est difficile à effectuer avec les liposomes, des gouttelettes lipidiques imitant les cellules, et qui sont souvent employées en recherche.

Ces cellules artificielles pourraient également être utilisées pour former des tissus artificiels capables de s’adapter à leur environnement. Selon Devaraj, elles pourraient même aider à comprendre les origines de la vie.

A présent, il espère pouvoir développer ces cellules afin de leur conférer la capacité réplication et de croissance. Cependant, Yuval Elani, bioingénieur de l’Imperial College London, met en garde quant aux inconvénients possibles de l’utilisation de ces cellules : « Le concept d’utilisation de ces composants non biologiques est puissant. Mais les composants artificiels pourraient également constituer un inconvénient pour les applications, s’ils s’avèrent incompatibles avec les composants « naturels » constituant les cellules artificielles que d’autres chercheurs développent ».

Source : Sciencemag

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