Approches

La biologie synthétique regroupe des projets de recherche et développement qui recourent à des approches différentes. Ils partagent néanmoins le même but, celui de conceptualiser et produire des organismes ou des composants d’un genre nouveau. Ils opèrent à différents niveaux, de même qu’ils diffèrent par les méthodes utilisées.

 

Bioingénierie

Comme dans un ordinateur, en bioingénierie, les composants biologiques isolés doivent être assemblés dans une structure hiérarchique. Illustration : Andrianantoandro et al, 2006, Mol Syst Biol.2 :2006.0028.
Comme dans un ordinateur, en bioingénierie, les composants biologiques isolés doivent être assemblés dans une structure hiérarchique. Illustration : Andrianantoandro et al, 2006, Mol Syst Biol.2 :2006.0028.
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Comme dans un ordinateur, en bioingénierie, les composants biologiques isolés doivent être assemblés dans une structure hiérarchique. Illustration : Andrianantoandro et al, 2006, Mol Syst Biol.2 :2006.0028.
Comme dans un ordinateur, en bioingénierie, les composants biologiques isolés doivent être assemblés dans une structure hiérarchique. Illustration : Andrianantoandro et al, 2006, Mol Syst Biol.2 :2006.0028.

L’approche par bioingénierie, que suivent différents groupes de recherche en Suisse, est probablement la plus utilisée en biologie synthétique. Le «Concours de biologie synthétique» bien connu iGEM recourt à cette stratégie également. Développée à ses débuts par des ingénieurs essentiellement, cette stratégie a pour but de faire de la biologie une vraie discipline de l’ingénierie, au sein de laquelle on travaille avec des éléments standardisés que l’on peut assembler selon un schéma hiérarchique. La caractéristique des composants standardisés est d’être conçus selon un modèle de base qui permet de les combiner à volonté. En biologie, ces éléments sont des éléments génétiques que l’on peut combiner librement.

Avant de commencer le travail au laboratoire, les chercheurs qui ont opté pour cette forme de biologie synthétique passent beaucoup de temps à l’ordinateur afin de concevoir des modèles de mécanismes régulateurs ou de voies métaboliques. Certains groupes de recherche se sont spécialisés dans ce domaine à un point tel qu’ils laissent à d’autres le travail au laboratoire. L’approche par bioingénierie repose sur les techniques de génie génétique et ne se différencie que peu du génie génétique conventionnel. Cependant la standardisation, la modélisation informatique et l’ampleur des modifications génétiques constituent des éléments nouveaux. Les limites imposées par la nature ne sont plus aussi contraignantes, la créativité acquiert une dimension nouvelle.

Génomique synthétique

La génomique synthétique vise à synthétiser un génome entier, soit produit artificiellement au laboratoire. Pour ce faire, grâce aux méthodes de la chimie et de la biologie moléculaire, les éléments constitutifs de l’ADN (les nucléotides) sont attachés l’un à l’autre selon l’ordre souhaité. De courts segments d’ADN – un gène unique par exemple – sont déjà disponibles commercialement, mais la production artificielle de longues séquences d’ADN comme un génome entier par exemple est encore un défi.

La synthèse de séquences d’ADN est de plus en plus efficace et de moins en moins chère.Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd : Nat Biotechnol. 27: 1091-1094, copyright 2009
La synthèse de séquences d’ADN est de plus en plus efficace et de moins en moins chère.Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd : Nat Biotechnol. 27: 1091-1094, copyright 2009
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La synthèse de séquences d’ADN est de plus en plus efficace et de moins en moins chère.Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd : Nat Biotechnol. 27: 1091-1094, copyright 2009
La synthèse de séquences d’ADN est de plus en plus efficace et de moins en moins chère.Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd : Nat Biotechnol. 27: 1091-1094, copyright 2009

En 2010, le groupe de recherche de Craig Venter a réussi à construire une bactérie dotée d’un génome fabriqué artificiellement. Ce génome a été produit selon un modèle naturel, ce qui signifie que la séquence de son ADN était la même que celle d’une bactérie existant dans la nature. Les chercheurs y ont néanmoins ajouté quelques segments d’ADN conçus par eux afin de pouvoir distinguer la bactérie au génome artificiel des bactéries naturelles.

Un but de la génomique synthétique est de minimiser les génomes en éliminant les séquences inutiles. Ces génomes simplifiés devraient se prêter plus facilement à l’adjonction de gènes ou de séquences d’ADN spécifiques.

Xénobiologie

Quelques exemples de XNAs – nouvelles formes d’acides nucléiques constituant des alternatives à l’ADN. Le désoxyribose est souvent remplacé par un autre type de sucre. Illustration : Franziska Oeschger, Forum Recherche génétique
Quelques exemples de XNAs – nouvelles formes d’acides nucléiques constituant des alternatives à l’ADN. Le désoxyribose est souvent remplacé par un autre type de sucre. Illustration : Franziska Oeschger, Forum Recherche génétique
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Quelques exemples de XNAs – nouvelles formes d’acides nucléiques constituant des alternatives à l’ADN. Le désoxyribose est souvent remplacé par un autre type de sucre. Illustration : Franziska Oeschger, Forum Recherche génétique
Quelques exemples de XNAs – nouvelles formes d’acides nucléiques constituant des alternatives à l’ADN. Le désoxyribose est souvent remplacé par un autre type de sucre. Illustration : Franziska Oeschger, Forum Recherche génétique

Les chercheurs qui utilisent l’approche que nous appelons ici la xénobiologie (qui dérive du mot grec « xeno » signifiant « étranger » et qui indique que cette biologie n’existe pas en tant que telle dans la nature) font un pas au-delà de la génomique synthétique. Ils se sont fixé pour but de produire des organismes dotés d’un système génétique autre que celui des êtres vivant dans la nature. Certains chercheurs tentent de remplacer l’ADN et l’ARN par de nouvelles formes d’acides nucléiques (on parle de XNA pour « xeno nucleic acid »), d’autres s’en tiennent aux acides nucléiques conventionnels, mais veulent concevoir un nouveau code génétique. A cette fin, on tente actuellement d’ajouter de tels éléments artificiels à des microorganismes dotés d’un génome naturel, mais il est pensable que, dans un avenir lointain, on puisse concevoir des organismes avec un système génétique entièrement artificiel. De tels organismes offriraient l’avantage que leurs éléments génétiques transmis par des virus ou d’autres porteurs à des organismes naturels ne seraient pas fonctionnels. Les organismes naturels seraient dépourvus de la machinerie moléculaire apte à produire des protéines à partir de ces gènes artificiels ou, en cas de XNA, de le dupliquer lors de la division cellulaire.

 

Protocellules

Les chercheurs qui suivent cette piste veulent construire des cellules vivantes à partir de molécules. Ce seraient des cellules simplifiées. On espère ainsi acquérir des connaissances quant à savoir comment la vie s’est développée sur la terre à partir de matière non vivante. Comme premices des cellules vivantes, les chercheurs produisent des ainsi dites protocellules, soit de petits globules entourés d’une enveloppe lipidique (telle qu’on la trouve autour des cellules vivantes) et au sein desquels se déroulent des réactions biochimiques isolées. Actuellement on est encore loin de pouvoir produire des cellules que l’on pourrait qualifier de « vivantes ». Si l’on devait néanmoins réussir à produire de telles cellules, cette approche de la biologie synthétique serait plus près que n’importe quelle autre de « synthétiser » des organismes vivants. Dans les autres approches en effet, on ne produit pas les microorganismes eux-mêmes, on introduit le génome à disposition dans des microorganismes existants afin que ceux-ci mettent en œuvre l’information génétique acquise et constituent ainsi des microorganismes nouveaux avec de nouvelles capacités et de nouvelles propriétés.

Des cellules vivantes pourraient un jour être produites en laboratoire à partir de matériel non vivant, tel que ADN et lipides par exemple. Illustration : F. Oeschger
Des cellules vivantes pourraient un jour être produites en laboratoire à partir de matériel non vivant, tel que ADN et lipides par exemple. Illustration : F. Oeschger
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Des cellules vivantes pourraient un jour être produites en laboratoire à partir de matériel non vivant, tel que ADN et lipides par exemple. Illustration : F. Oeschger
Des cellules vivantes pourraient un jour être produites en laboratoire à partir de matériel non vivant, tel que ADN et lipides par exemple. Illustration : F. Oeschger

Ces différents projets de recherche partagent le but de produire de nouvelles formes de vie selon un « design » rationnel conçu par l’homme. Les différentes approches peuvent se subdiviser plus ou moins finement, nous avons choisi ici d’en distinguer quatre. Bien qu’elles différent par la méthodologie et l’histoire de leur développement, ces différentes approches présentent des liens. Ainsi l’approche par bioingénierie bénéficie des progrès de la synthèse de l’ADN effectués dans le cadre de la « génomique synthétique » qui permet de produire aisément des séquences d’ADN nouvellement conçues. L’idée existe aussi de relier la biologie moléculaire artificielle à l’approche par bioingénierie. Plus loin dans le temps, on pourrait imaginer une combinaison des quatre approches, qui irait jusqu’à permettre de développer une protocellule dotée d’un génome synthétique capable de générer de nouvelles voies métaboliques.


Littérature

Vue d’ensemble

  • O’Malley MA et al. (2008) Knowledge-making distinctions in synthetic biology. BioEssays 30: 57-65. Lien
  • Deplazes A (2009) Piecing together a puzzle. An exposition of synthetic biology. EMBO reports 10: 428-432. Lien

Bioingénierie

  • Endy D (2005) Foundations for engineering biology. Nature 438: 449-453. Lien
  • Baker D et al. (2006) Engineering Life: Building a Fab for Biology. Scientific American 44-51. Lien

Génomique synthétique

  • Gibson DG (2014) Programming biological operating systems: genome design, assembly and activation. Nature Methods 11: 521-526. Lien

Xénobiologie

  • Benner SA and Sismour AM (2005) Synthetic Biology. Nature Reviews Genetics 6: 533- 543. Lien
  • Schmidt M (2010) Xenobiology: A new form of life as the ultimate biosafety tool. BioEssays 32: 322-331. Lien

Protocellules

  • Walde P (2010) Building artificial cells and protocell models: Experimental approaches with lipid vesicles. BioEssays 32: 296-303. Lien
  • Stano P and Luisi PL (2010) Achievements and open questions in the self-reproduction of vesicles and synthetic minimal cells. Chemical Communications 46: 3639-3653. Lien

Boîte à outils

point d'interrogation

Qu'est-ce qu'un gène? Et quelle est la différence entre un virus et une bactérie?

Explication des concepts et termes les plus importants.