Des chercheurs créent le premier génome autoréplicatif en laboratoire

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La biologie de synthèse (ou biologie synthétique) est un domaine scientifique et biotechnologique qui ne consiste pas seulement en l’observation et la description des processus de la vie, mais les imite également. L’une des caractéristiques clés de la vie est la capacité de reproduction (ce qui signifie le maintien d’un système chimique/biologique). Aujourd’hui, des chercheurs ont réussi à créer un génome reproducteur en laboratoire.

Des scientifiques de l’Institut Max Planck de biochimie de Martinsried ont créé un système qui est capable de régénérer des parties de son propre bloc de construction d’ADN et de protéines. Cela signifie que, pour la toute première fois, ils ont réussi à créer un génome reproducteur en laboratoire.

Dans ce domaine de la biologie synthétique, les chercheurs étudient des processus qualifiés « d’ascendants », ce qui signifie la génération de systèmes imitant la vie à partir de blocs de construction inanimés. L’une des caractéristiques les plus fondamentales de tous les organismes vivants est la capacité de se conserver et de se reproduire en tant qu’entités distinctes.

Cependant, l’approche « ascendante » artificielle, pour créer un système capable de se reproduire, est un grand défi expérimental. Mais aujourd’hui, et ce pour la toute première fois, des scientifiques ont réussi à surmonter cet obstacle et à synthétiser un tel système.

Une première : la création en laboratoire d’un génome reproducteur

Hannes Mutschler, chef du groupe de recherche « Systèmes biomimétiques » à l’Institut Max Planck de biochimie, ainsi que son équipe de recherche, se consacrent à imiter la réplication des génomes et la synthèse des protéines avec une approche justement « ascendante». À savoir que ces deux processus sont fondamentaux pour l’autopréservation et la reproduction des systèmes biologiques.

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Les facteurs de traduction du génome artificiel proviennent de la bactérie Escherischia coli (E. coli). Ces protéines sont importantes pour la traduction des instructions de construction de l’ADN en protéines et sont donc essentielles pour les systèmes d’autoréplication. Crédits : MPI f. Developmental Biology/Jürgen Berger

Les chercheurs ont réussi à produire un système in vitro, dans lequel les deux processus pourraient avoir lieu simultanément : « Notre système est capable de régénérer lui-même une proportion importante de ses composants moléculaires », explique Mutschler.

Afin de parvenir à démarrer ce processus, les chercheurs avaient besoin d’un manuel de construction (l’ADN, qui contient les informations pour produire les protéines), de diverses « machines » moléculaires — qui sont justement ces protéines, car elles agissent souvent comme des catalyseurs qui accélèrent les réactions biochimiques des organismes, ainsi que des nutriments.

Une structure modulaire du manuel de construction (l’ADN)

Plus précisément, les chercheurs ont optimisé un système d’expression in vitro qui synthétise des protéines sur la base d’un schéma d’ADN. Puis, grâce à plusieurs améliorations, le système d’expression in vitro est maintenant capable de synthétiser des protéines, appelées ADN polymérases, de manière très efficace. Ces ADN polymérases répliquent ensuite l’ADN à l’aide de nucléotides. « Contrairement aux études précédentes, notre système est capable de lire et de copier des génomes d’ADN relativement longs », explique Kai Libicher, premier auteur de l’étude.

Les scientifiques ont réussi à assembler des génomes artificiels allant jusqu’à onze morceaux d’ADN en forme d’anneau. Cette structure modulaire leur permet d’insérer ou de retirer facilement certains segments d’ADN. À noter que le plus grand génome modulaire reproduit par les chercheurs de l’étude se compose de plus de 116’000 paires de bases.

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Une régénération des protéines

Outre la possibilité de codage des polymérases, qui sont importantes pour la réplication de l’ADN, le génome artificiel contient des plans pour d’autres protéines, tels que 30 facteurs de traduction provenant de la bactérie E. coli.

Les facteurs de traduction sont importants pour la traduction du schéma d’ADN dans les protéines respectives. Ainsi, ils sont essentiels pour les systèmes autoréplicatifs, qui imitent les processus biochimiques.

Afin de montrer que le nouveau système d’expression in vitro est non seulement capable de reproduire l’ADN, mais aussi de produire ses propres facteurs de traduction, les chercheurs ont utilisé la spectrométrie de masse : grâce à cette méthode analytique, ils ont déterminé la quantité de protéines produites par le système. Étonnamment, certains des facteurs de traduction étaient même présents en plus grandes quantités après la réaction que ceux ajoutés auparavant.

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Vers un système d’autoréplication continue imitant les processus biologiques ?

Selon les chercheurs, il s’agit d’une étape importante vers un système d’autoréplication continue qui imite les processus biologiques. À l’avenir, les scientifiques souhaitent étendre le génome artificiel avec des segments d’ADN supplémentaires. Ces derniers veulent également produire un système enveloppé capable de rester viable en ajoutant des nutriments et en éliminant les déchets.

Selon eux, une telle cellule minimale pourrait alors être utilisée, par exemple, en biotechnologie comme machine de production sur mesure de substances naturelles ou comme plate-forme pour la construction de systèmes encore plus complexes et réalistes.

Source : Nature Communications

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