Synthétiser un chromosome de levure : pourquoi refaire ce qu'on peut acheter par millions dans un cube de levure au supermarché ?
Une news récente dans la revue Science (Elizabeth Pennisi, E. 2014) rapporte les premiers résultats d'un consortium qui est en train de synthétiser tous les chromosomes de la levure.Ils ont déjà produit le premier chromosome de synthèse d'un eukaryote : le chromosome III de Saccharomyces cerevisiae long de 316,617 paires de bases qui est fonctionnel et stable dans la cellule (Annaluru, N. et al. 20142). Ils établissent avec leurs méthodes les bases pour produire des chromosomes de synthèse. Ce projet qui enrôle toute une armée internationale de chercheurs souvent jeunes est mené par Jef Boeke, qui pourtant en 2004 ne voyait pas l'intérêt de refaire ce qui existe déjà à des millions de copies dans la nature ! Il a bien changé de discours car il conclut qu'il sera bientôt possible de produire des génomes de plantes et d'animaux avec des chromosomes synthétiques en y programmant des fonctions souhaitées et des propriétés phénotypiques rationnellement calculées. (Les membres Expériment@l peuvent obtenir ces articles…).
Fig 1: des algues qui ne font que produire de grandes quantités de lipides comme bio-carburant (Robert F. Service2011). . [img] source : (Robert F. Service2011)
Essayons de comprendre ce que cette biologie de synthèse apporte de nouveau pour mettre en perspective ces recherches et aider nos élèves à comprendre le sens d'un changement qui pourrait profondément modifier notre rapport au vivant et le futur auquel nous les préparons.
La biologie de synthèse … bof, des OGM un peu plus poussés ?
Le projet de la biologie de synthèse – fabriquer des organismes vivants à partir de l'information qui les définit – n'apparait au premier coup d'oeil pas très innovant : cela fait des décennies que nous produisons des organismes à partir d'ADN bien choisis et parfois modifiés. Cela fait des millénaires que par la sélection, ou l'application méticuleusement contrôlée de pollen, de sperme on modifie la composition génétique d'organismes agricoles ou d'élevage. On a produit de nouveaux organismes en fusionnant des génomes entiers (la polyploïdie est très fréquente dans les plantes cultivées) pour de nombreux agrumes, le blé ou le maïs.Cependant dans tous ces cas on manipule des cellules (gamètes souvent) ou des molécules d'ADN pris dans une être vivant ou plusieurs. La biologie synthétique a le projet de composer l'information du génome - dans un ordinateur par exemple - puis de synthétiser les molécules correspondantes pour former l'organisme vivant. A la limite en n'empruntant aucune molécule à une cellule vivante : d'où l'expression de synthèse.
Un organisme vivant est un ensemble de molécules organisées ?
Il est intéressant de relever qu'on suppose ici que toutes les caractéristiques d'un être vivant sont définies par les molécules qui le composent et leur organisation.En effet, dans un premier temps la biologie synthétique cherche à synthétiser les molécules du génome pour les insérer dans un organisme similaire dont on aura éliminé l'ADN (avant ou après l'introduction de l'ADN de synthèse).
Implicitement le rôle du cytoplasme est considéré comme sans importance sur le devenir de la lignée d'organisme produite. C'est une évidence pour le biologiste actuel, ça ne l'a pas toujours été. Ce concept structurant en biologie s'est imposé - entre autres je sais que c'est plus complexe historiquement - par des expériences démontrant que c'est le noyau ou l'ADN qui s'y trouve qui détermine la nature de l'organisme. Je vais rapidement rappeler - en m'inspirant de Morange (2003) et Strasser, B. J. (2003) - quelques étapes qui ont conduit la biologie à donner à l'ADN cette place centrale pour voir en quoi cette place va changer de l'ADN vu comme molécule à l'ADN vu comme support d'information et comment cela conduit à la biologie synthétique avant de présenter les recherches les plus récentes et proposer quelques articles pour approfondir.
C'est l'ADN qui compte… donc la synthèse de l'ADN est presque la synthèse du vivant
Le rôle central de l'information stockée dans l'ADN ( et son organisation et sa méthylation etc. faut-il ajouter aujourd'hui) est tellement profondément inscrit dans la biologie actuelle qu'on oublie peut-être que les élèves n'ont pas intégré ce concept avant les enseignements. Ils accueillent les expériences et les exposés de biologie avec leurs modèles naïfs de la nature du vivant, et comprennent parfois mal ce qu'ils voient et entendent dans les cours et de TP ! De nombreuses expériences ont établi la nature chimique des gènes et finalement cette primauté de l'information sur les molécules.
-->« La biologie moléculaire […est ] une nouvelle manière de percevoir le vivant comme réservoir et transmetteur d'information. » « Cette nouvelle vision ouvre des possibilités d'action qui se révéleront lors de l'essor du génie génétique « (Morange, 2003 p.6)
L'expérience de Griffith (1928) sur la transformation est souvent interprétée comme montrant que c'est l'ADN (dans nos mots actuels) et non le cytoplasme des pneumocoques qui détermine les propriétés de la bactérie et en particulier la virulence.
Fig 2: L'expérience de Griffith est un pas dans le sens de la primauté de l'information (génétique) sur le cytoplasme. [img] source : GREAT NECK SOUTH HIGH SCHOOL MR. KRAUZ
Avery en 1944 ... puis Hershey et Chase en 1952
La première expérience qui, rétrospectivement, démontrait que les gènes étaient formés d'ADN, fut réalisée par l'Américain Oswald T. Avery et ses collaborateurs et publiée en 1944 dans le Journal of Experimental Medicine "Pourtant, cette expérience n'était pas mentionnée dans les premières descriptions de la naissance et du développement de biologie moléculaire. Une deuxième expérience, effectuée huit ans plus tard, devait produire le même résultat. Elle est souvent présentée en parallèle ou à la place de l'expérience d'Avery. De cet oubli devait naître une littérature abondante, faisant de O.T. Avery un savant méconnu, l'équivalent pour la biologie moléculaire de Mendel pour la génétique."-->(Morange, 2003)
L'expérience de Hershey, A.D. et Chase, M. (1952) établit - dans la plupart des ouvrages - la primauté de l'ADN sur les protéines.
Fig 3: L'expérience de Hershey et Chase contribue à montrer le rôle central de l'ADN dans le pouvoir infectieux des phages [img] source : http://www.quia.com/
"Avery avait apporté un résultat inattendu et répondu à une question que personne ne se posait : la nature du matériel héréditaire. Hershey et Chase posaient eux, une question très simple : Etant donné que le bactériophage était formé de deux constituants seulement ADN et protéines, lequel était important pour la reproduction ?
L'environnement conceptuel entourant les deux expériences était donc très différent. De plus, alors que Avery était un chercheur isolé, peu médiatique, les résultats de Hershey et Chase furent diffusés par ce réseau informel mais efficace, que constituait le groupe du phage. L'expérience de Hershey et Chase profita aussi de la publicité que reçut la découverte presque simultanée de la structure en double hélice de l'ADN par J. Watson et F. Crick" Morange, (2003) p. 68-69
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C'est le noyau qui compte … donc transférer le noyau c'est transférer les l'essentiel du vivant
L'expérience de clonage par transfert nucléaire (1962) du prix Nobel John Gurdon (nobelprize.org) contribue encore à confirmer que c'est le noyau qui détermine les propriétés de l'individu plus que le cytoplasme. Le transfert du noyau d'un têtard dans un ovule irradié pour supprimer son ADN produit un individu identique au donneur de noyau (= son clone) mais différent du donneur de l'ovule (du cytoplasme).
Fig 4 : L'expérience de transfert nucléaire de Gurdon [img] source :memorial university
Une nouvelle vision de la biologie : ingénierie de l'information plutôt que bricolage des molécules !
Ainsi la primauté de l'ADN s'établit par de nombreuses expériences. Notons bien que la nature chimique de l'ADN est souvent confondue avec l'information qui est enregistrée dans la séquence de bases. Pourtant c'est cette distinction entre les molécules qui portent l'information et l'information elle-même qui est nécessaire pour comprendre l'intérêt de la biologie synthétique"Les concepts, tels ceux d'information, de rétrocontrôle, de programme, si utiles pour comprendre et expliquer les résultats de la biologie ne sont pas « empruntés » à l'informatique. Communs à celles-ci et à la biologie, ils furent au cœur de cette nouvelle vision du monde qui s'est mise en place pendant et après la Seconde Guerre mondiale. Ils constituèrent le cadre dans lequel les expériences, les théorie et les modèles de la biologie moléculaire vinrent se mouler et prendre ainsi peu à peu forme. (Morange, 2003 p. 132)
"Il reste encore aux historiens beaucoup de travail avant que nous comprenions ce qui s'est passé dans les années quarante à soixante, quand naquirent et se développèrent ces deux disciplines fondamentales que sont l'informatique et la biologie moléculaire, quand se mit en place cette nouvelle vision du monde où « l'information et la logique importent davantage que l'énergie ou la constitution matérielle »." (Morange, 2003 p. 132 )
Requiem pour la biologie moléculaire ?!
Ainsi pour Morange (2003) la biologie des molécules est déjà du passé : la Postface à l'édition de 2003 est titrée : "Requiem pour la biologie moléculaire" ! Il explicite -->(p. 361)
"Une nouvelle vision du monde vivant est-elle en train d'émerger, à même de remplacer la précédente? À la fin du livre, nous indiquions quelques pistes de développement: l'impulsion donnée à la biologie évolutive par l'étude des marqueurs moléculaires, le rapprochement entre biologie du développement et biologie de l'évolution, ce qu'on appelle l'«Évo-Dévo' » . Ces domaines de recherche ont en effet considérablement progressé, et sont aujourd'hui très actifs. Mais le plus significatif, aux yeux du grand public et en termes d'applications futures, est très certainement le développement de la génomique, et celui de la postgénomique qui a suivi presque immédiatement l'obtention des premières séquences génomiques complètes."Sans prétendre avoir l'autorité de discuter ou de valider cette analyse, force est de constater que la biologie est entrée dans une phase nouvelle où l'information devient plus importante que les molécules qui la portent.
De nos jours l'analyse des molécules des systèmes vivants étudiés est en train de devenir une opération triviale confiée à des services ou même des machines (séquenceurs p. ex) : elle n'est que rarement la plus-value qui justifie une publication. Ce qui compte c'est ce qu'on a fait aux systèmes vivants avant (de séquencer par exemple) pour extraire des informations et comment on traite ces informations (comment on compare, trie, aligne, par exemple) après.
Dans le prolongement direct de cette évolution, la biologie synthétique va une étape plus loin : elle essaye de produire un organisme en synthétisant les molécules (molécules d'ADN puisqu'on pense que c'est là que tout se joue) correspondant à l'information qui définit un organisme vivant.
Du bricolage tâtonnant des OGM à l'ingénierie ?
A terme on pourra composer un génome et le faire produire à une machine, c'est-à-dire traduire cette information en molécules qui devraient générer un être vivant. Un des changements les plus profonds est qu'au lieu de choisir des molécules et tâtonner pour les insérer - si possible au bon endroit - ce que (Schwille, P. 2011) qualifie de bricolage, on passe au stade de l'ingénierie : on compose un génome entièrement in silico, à partir de modules de fonction connue ( 2011) puis on synthétisera l'ADN de ce génome et finalement la cellule… Un peu comme on compose un ordinateur en choisissant telle carte-mère, tel disque dur, tel processeur etc. (Les membres Expériment@l peuvent obtenir ces articles…).Au lieu d'un copier-coller de molécules on passe à une conception raisonnée d'un système vivant.
On pourrait ainsi produire des cellules qui remplissent précisément certaines fonctions et rien que celles-là. Par exemples des algues qui ne font que produire de grandes quantités de lipides comme bio-carburant (2011).
Un concours (IGEM) de la création biologique la plus originale a désigné cette année des jeunes étudiants (cf Dossiers La Recherche N°9 Biologie Synthétique, Avril-mai 2014 extraits intranet.pdf)
De nombreuses étapes de cette biologie synthétique sont déjà du passé : voyons en quelques unes pour comprendre celle qui vient d'être réalisée.
Une bactérie synthétique ... pas encore mais une bactérie à l'ADN synthétique pour commencer !
Craig Venter et son équipe ont réussi à synthétiser l'ADN d'une bactérie Mycoplasma ( Bio-tremplins Septembre 2009 Venter a encore frappé - il veut recréer le vivant ? ) : ils ont synthétisé par étapes le génome complet de la bactérie : à partir d'oligonucléotides de synthèse assemblés, son équipe a produit 1078 fragments de 1080 bases, puis les a assemblés en 109 fragments de 10'080 bases, puis 11 fragments de 100'000 bases et finalement assemblé cela pour faire le génome de 1'077947 bases (cf. figure 5)
Fig 5: L'équipe de Venter a produit 1078 fragments de 1080 bases, puis les a assemblés en 109 fragments de 10'080 bases, puis 11 fragments de 100'000 bases et finalement assemblé cela pour faire le génome de 1'077947 bases [img] source : Gibson, D. G., Glass, J. I., Lartigue, C., Noskov, V. N., Chuang, R.-Y., Algire, M. A., … Venter, J. C. (2010).
Ces avancées étaient bien résumées dans une news de Science en 2009
- Pennisi, Elizabeth. (2009) Genetic Engineering: Two Steps Forward for Synthetic Biology Science News of the Week 21 August 2009: Vol. 325. no. 5943, pp. 928 - 929 | DOI: 10.1126/science.325_928
Je recommande une sorte d'édito remarquable : Vinson, V., & Pennisi, E. (2011). The Allure of Synthetic Biology. Science, 333(6047), 1235‑1235. doi:10.1126/science.333.6047.1235
Synthetic BiologyNews
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Et maintenant on a produit un chromosome entier !
Une news récente dans la revue Science (Elizabeth Pennisi, E. 2014) rapporte les premiers résultats d'un consortium Sc2.0 (Saccharomyces cerevisiae renouvelé comme le web 2.0) qui a déjà produit le premier chromosome de synthèse d'un eukaryote : les 316,617 paires de bases du chromosome III de Saccharomyces cerevisiae. Il est fonctionnel dans la cellule (Annaluru, N. et al. 20142), et ils ont testé sa stabilité sur 125 générations de 30 lignages et n'ont détecté aucune perte.Ils établissent ainsi les bases pour produire des chromosomes de synthèse. Pour parvenir à ce résultat ils ont simplifié et adapté le chromosome (Cf fig.6) et ont nommé ce chromosome réinventé Sc2.0 .
Fig 6 : Genome remake. The successful reinvention of yeast chromosome 3 involved the removal of many elements and multiple additions to its DNA (upper diagram). This chromosome now serves as a model for the international effort to synthesize all the other chromosomes (lower chart).[img] source : CREDITS (TOP TO BOTTOM): K. ENGMAN/SCIENCE; JEF BOEKE/NEW YORK UNIVERSITY"
Une biologie qui observe le vivant ou qui le synthétise pour expérimenter et produire ?
Ce projet qui enrôle toute "une armée internationale de chercheurs souvent jeunes) est mené par Jef Boeke, qui pourtant en 2004 ne voyait pas l'intérêt de refaire ce qui existe déjà. Maintenant il conclut qu'il sera bientôt possible de produire des génomes de plants et d'animaux avec des chromosomes synthétiques encodant des fonctions souhaitables et des propriétés phénotypiques. "Rapid advances in synthetic biology coupled with ever decreasing costs of DNA synthesis suggest that it will soon become feasible to engineer new eukaryotic genomes, including plant and animal genomes, with synthetic chromosomes encoding desired functions and phenotypic properties based on specific design principles." (Annaluru, N., 2014)Pour de simples biologistes noyés dans les corrections et les problèmes d'élèves, ce que cette démarche apporte de nouveau n'est pas immédiatement évident… Surtout que la tradition en biologie est fondée sur l'observation du vivant plutôt que sa synthèse. Espérons que cette bio-tremplins vous aura donné le goût de lire plus (elle aura été un tremplin vers les articles de recherche !) et de vous faire une opinion personnelle.
Pour nos élèves ou pour nous : quelques textes en français ?
- Minet, Pascaline. (2014), Un chromosome artificiel fabriqué en laboratoire, Le Temps ici
- Biologie Synthétique, Dossiers La Recherche N°9 Avril-mai 2014 extraits intranet.pdf
Mais alors le vivant c'est juste l'information injectée a des molécules banales
La nature de ce qu'est un biologiste (l'épistémologie si vous voulez) est encore une fois en train de changer : autrefois on définissait la biologie d'abord par l'observation, elle est devenue expérimentale, sur un mode bricoleur au sens noble, et elle deviendrait une science d'ingénieur, orientée vers la pratique, calculée déterminée … Le grand virage de l'EPFL vers les sciences de la vie est certainement une confirmation de ce changement. Les enseignants de biologie sauront-ils s'y retrouver ?La biologie synthétique pose une grand nombre de nouvelles questions… En voici quelques unes qui seront sans doute posées aux citoyens que nos élèves seront dans peu d'années ! Saurons-nous les préparer à comprendre cette biologie-là et à décider sur de telles questions ?
Si il se confirme qu'on peut produire un organisme en définissant son génome (et son épigénome, etc.), la question de la nature, du vivant et de la nature du vivant est reposée en d'autres termes : le vivant de synthèse est-il le même que le vivant naturel ? Le vivant serait alors réduit à l'organisation précise qu'on donne à des molécules banales ? Est-ce que "je" se réduit à des molécules ?
L'étincelle de vie que nous voyons s'éteindre lors du décès d'un être aimé est-elle une simple configuration de molécules qui est moins favorable .... et qu'on pourrait changer ?
Quels organismes aura-t-on le droit de fabriquer ?
A-t-on le droit de séquencer mon chat ( un poil suffirait) et de le refaire pour le vendre ?
Il y en a bien d'autres ?
Elles sont traitées notamment dans cet ouvrage Bensaude-Vincent, B., & Benoit-Browaeys, D. (2011). Fabriquer la vie. Où va la biologie de synthèse?
Sources :
- Annaluru, N., Muller, H., Mitchell, L. A., Ramalingam, S., Stracquadanio, G., Richardson, S. M., … Chandrasegaran, S. (2014). Total Synthesis of a Functional Designer Eukaryotic Chromosome. Science, 1249252. doi:10.1126/science.1249252
- Bensaude-Vincent, B., & Benoit-Browaeys, D. (2011). Fabriquer la vie. Où va la biologie de synthèse? (Vol. 67): Seuil.
- Gibson, D. G., Glass, J. I., Lartigue, C., Noskov, V. N., Chuang, R.-Y., Algire, M. A., … Venter, J. C. (2010). Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome. Science, 329(5987), 52‑56. doi:10.1126/science.1190719
- Griffith F.: The significance of pneumococcal types, in: J. Hyg. 27 (1928) 113-159
- Gurdon JB 1962a. The transplantation of nuclei between two species of Xenopus. Dev Biol 5: 68–83.
- Hershey, A.D. and Chase, M. (1952) Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage. J Gen Physiol. 36:39–56.
- Minet, Pascaline. (2014), Un chromosome artificiel fabriqué en laboratoire, Le Temps ici
- Morange, M. (2003). Histoire de la biologie moléculaire. Paris: La Découverte.
- Pennisi, E. (2014). Building the Ultimate Yeast Genome. Science, 343(6178), 1426‑1429. doi:10.1126/science.343.6178.142
- Strasser, B. J. (2003). The transformation of the biological sciences in post-war Europe. EMBO reports, 4(6), 540-542. doi: 10.1038/sj.embor.embor879
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