Kate Adamala a une vision du futur. Dans ce cadre, la biologie remplacerait la fabrication chimique.
« Le succès ultime », dit le biologiste synthétique, serait que « tous les atomes que nous déplaçons dans notre économie le soient avec la biologie ».
Adamala et ses collègues de l'Université du Minnesota à Minneapolis ont annoncé un pas vers cet avenir le 1er juillet lorsque l'équipe a dévoilé les SpudCells, des cellules synthétiques capables de répliquer leur ADN et de se diviser plusieurs fois.
Certaines personnes ont salué SpudCells comme la première vie synthétique. Adamala n’en fait pas partie. Les SpudCells « ne vivent évidemment pas », dit-elle. « Ce sont des cellules mais elles ne sont pas vivantes. »
Les SpudCells ne sont guère plus que des bulles de membranes graisseuses contenant de l'ADN et des protéines empruntées à divers virus et bactéries. À terme, ces cellules synthétiques pourraient être capables de produire des produits chimiques, des carburants et des médicaments tels que des antibiotiques, explique Adamala. SpudCells ne peut pas encore le faire.
Contrairement aux cellules vivantes naturelles, les SpudCells ne sont pas autosuffisantes. Pour fonctionner, ils ont besoin que les chercheurs les nourrissent de bulles remplies de machines et de matières premières produisant des protéines. Les chercheurs doivent également inciter chimiquement les SpudCells à « grandir » – à fusionner avec les bulles d’alimentation et à embarquer une cargaison – et à se diviser.
La fusion et la division dépendent des protéines codées par l’ADN des cellules. C'est l'innovation qui distingue SpudCells des précédentes tentatives de construction de cellules à partir de zéro, explique le physicien Tom Robinson de l'Université d'Édimbourg en Écosse. Robinson et d’autres ont produit des membranes capables de se diviser comme des cellules, tandis que d’autres groupes ont réussi à répliquer l’ADN dans des cellules artificielles. Mais relier les deux de manière à ce que l'ADN contrôle la croissance et la division n'a jamais été réalisé auparavant, dit-il.
Robinson n'a pas été impliqué dans ces travaux, mais il a rejoint Biotic, une coalition internationale de recherche à but non lucratif dirigée par Adamala et trois autres scientifiques. « Nous avons poussé cette technologie aussi loin qu'un seul laboratoire peut la pousser seul », explique Adamala. « Nous avons besoin de collaborateurs pour y ajouter leur expertise. »
Biotic, abréviation de Biology is Open Technology Inspiring Civilization, Inc., coordonnera et financera la recherche visant à transformer les SpudCells en cellules indépendantes. Il normalisera également les protocoles et les méthodes utilisés pour construire des cellules synthétiques.
« Nous sommes assez loin d'une cellule synthétique fonctionnelle », dit Robinson, « mais nous sommes en bonne voie. »
De nombreuses étapes sont nécessaires avant que SpudCells puisse fonctionner de manière indépendante. D’une part, les cellules ne peuvent pas fabriquer leurs propres ribosomes, des usines cellulaires qui fabriquent des protéines. C’est peut-être la partie la plus difficile de la construction d’une cellule de bas en haut, explique Adamala.
Les ribosomes sont des machines complexes composées de plus de 50 protéines et de 20 à 30 morceaux d’ARN. Ils doivent lire des instructions sous forme d’ARN messager et interagir avec d’autres types d’ARN ainsi qu’avec des acides aminés pour construire des protéines. L’assemblage de ces structures massives coûte aux cellules naturelles d’énormes quantités d’énergie, explique le biophysicien Jamie Williamson du Scripps Research Institute de La Jolla, en Californie. « Chez les bactéries, environ un tiers des ribosomes fabriquent en réalité des parties de [other] ribosomes afin que les cellules puissent se diviser », explique Williamson. « C'est un défi de taille pour une protocellule d'assumer cette tâche. »
Personne n’a encore réussi à créer des ribosomes fonctionnels à partir de zéro. « Cela nécessite – toute la biologie nécessite – une telle précision », déclare le biologiste du développement Douglas Blackiston de l'Université Tufts à Medford, Massachusetts. « Les erreurs deviennent très, très rapidement catastrophiques. »
Les cellules naturelles disposent de nombreux niveaux de contrôle qualité pour corriger les erreurs qui manquent généralement aux systèmes synthétiques. Si les bio-ingénieurs parviennent un jour à construire des ribosomes, ils devront également constituer des équipes de maintenance cellulaire pour assurer le bon fonctionnement des machines, explique Blackiston.
Les systèmes des cellules naturelles sont tellement imbriqués que les humains qui tentent de construire des cellules synthétiques ont du mal à les imiter. « Il semble que plus nous essayons de les microgérer, plus nous y parvenons », dit Blackiston.
Un système de nettoyage permettant de reconnaître et de dégrader les protéines usées ou endommagées figure sur la liste des pièces indispensables d'Adamala pour les futures itérations de SpudCells. Il en va de même pour le cytosquelette – un échafaudage interne qui aide les cellules à organiser leur intérieur, à conserver leur forme, à déplacer les marchandises et à diviser l’ADN lors de la division. C'est important pour l'héritage.
Le génome de SpudCells est divisé en sept cercles d'ADN. Pour que les cellules fonctionnent correctement, elles doivent hériter d’au moins une copie de chaque cercle. Sans cytosquelette pour guider la division, seulement environ 30 % des SpudCells ont hérité du génome complet en sept parties après cinq générations, ont rapporté Adamala et ses collègues dans leur manuscrit, publié sur bioRxiv.org le lendemain de l'annonce et qui n'a pas encore fait l'objet d'un examen par les pairs.
Leurs entrailles sont également en désordre. Lorsque les SpudCells fusionnent avec les bulles nourricières, « tout entre et se mélange à volonté. Nous devons résoudre ce problème », dit Adamala. « Nous ne pouvons pas avoir ce gombo. »
Elle a de grands projets pour SpudCells – nommé pour évoquer le satellite pionnier Spoutnik – au cours des 18 prochains mois, à commencer par l’organisation d’une réunion de scientifiques souhaitant rejoindre Biotic. La coalition n’est que l’un des nombreux groupes dispersés aux États-Unis, au Royaume-Uni, en Europe, en Asie et ailleurs qui tentent de construire des cellules synthétiques à partir de zéro. Beaucoup de ces efforts utilisent les mêmes outils qui ont aidé à créer SpudCells.
« Le travail n'est pas terminé », déclare Adamala. « Ce n'est pas une annonce qui ressemble à une baisse de micro. 'Nous l'avons fait. Nous rentrons à la maison.' C'est une annonce qui montre que nous avons montré ce qui était possible.
