La création de cellules artificielles est la prochaine frontière de la biologie synthétique. Depuis pas mal d’années maintenant, on manipule l’ADN, on en crée même des versions dotées de nouvelles bases. Les adeptes des biobricks cherchent à normaliser et standardiser les opérations d’ingénierie génétique. CRISPR nous permet d’agir finement sur le génome. Et Craig Venter a déjà créé une bactérie artificielle en créant un génome « from scratch », et en l’introduisant dans une cellule préexistante. Mais on n’a jamais créé de cellules à partir de rien ! On les emprunte toujours à un organisme vivant, comme l’a fait Venter.

Pourtant aujourd’hui de plus en plus de scientifiques s’attaquent à la question, nous explique un récent article de Nature. En septembre 2017, 17 laboratoires néerlandais se sont unis pour créer le projet Basyc (acronyme pour : Building a Synthetic Cell) qui s’est donné pour finalité de « créer dans les 10 ans un système analogue à la cellule, capable de se développer et de se diviser ». Les Néerlandais ne sont pas seuls dans l’affaire. La NSF (National Science Foundation, l’organe américain de la Recherche) a annoncé de son côté en septembre un projet analogue, et il existe une entreprise similaire au sein des communautés européennes.

Pour quel usage ? Une cellule synthétique, à quoi ça peut servir ?
A lire cette présentation du projet européen, plutôt à pas mal de choses :

« Construire une cellule synthétique ne répondra pas seulement à l’une des questions fondamentales de la science, «comment fonctionne la vie». Elle conduira simultanément à une nouvelle révolution technologique et sociétale, comparable à l’invention des ordinateurs. Travailler à l’élaboration d’une cellule synthétique permettra le développement de nouvelles applications inédites dans de nombreux domaines tels que la médecine, l’alimentation, les biomatériaux et les carburants durables. Cela contribuera à atténuer les menaces mondiales qui pèsent sur les citoyens européens et les autres, telles que le changement climatique, les crises alimentaires et énergétiques, les pandémies et les maladies chroniques. »

Voici quelques exemples (entre autres) d’applications possibles, toujours selon le même texte :

« Comprendre le fonctionnement des cellules nous aidera à développer des médicaments ciblés susceptibles d’être délivrés à des endroits spécifiques du corps (…). La conception de systèmes de cellules synthétiques nous permettra de produire de nouveaux matériaux intelligents et respectueux de l’environnement pour l’industrie de pointe, ainsi que de nouveaux biocarburants et polymères biodégradables. Cela facilitera également la production durable d’aliments sains et sûrs… »

En attendant d’en arriver là, de nombreux défis attendent sur le chemin. Une cellule doit répondre à plusieurs spécifications précises. Tout d’abord il lui faut une séparation avec le monde extérieur : c’est le rôle de la membrane. Cette membrane n’est cependant pas un mur hermétique : elle doit permettre aux nutriments de pénétrer à l’intérieur de la cellule, être en mesure de permettre l’évacuation des déchets et posséder une sensibilité à l’environnement qui lui permet de « communiquer avec d’autres cellules. A la membrane extérieure s’ajoute, chez les cellules eucaryotes (celles qui sont à la base des organismes pluricellulaires), des compartiments internes qui permettent de bien séparer les différents espaces de la cellule, notamment isoler l’ADN au sein d’un noyau. Ensuite, elle doit posséder bien sûr toute la machinerie génétique permettant de synthétiser des protéines qui la constituent et être capable de se reproduire… Enfin, pour être viable, une cellule doit posséder un métabolisme : elle doit être capable de s’adapter à son environnement de capter de l’énergie puis de transformer celle-ci en composants chimiques.

« Top-down » ou « bottom-up » ?

Venter a employé une technique nommée top-down. On a vu qu’au départ les chercheurs « empruntaient » une cellule appartenant à une autre espèce et y introduisait un nouvel ADN. La procédure pour créer une cellule « artificielle » consiste alors à réduire au maximum le nombre de gènes constituant le génome de la créature. Si la bactérie (on travaille exclusivement sur les bactéries, ou procaryotes, c’est-à-dire sans noyau) survit à cette amputation, on continue à enlever les gènes jusqu’à obtenir un être vivant minimum, que Craig Venter a baptisé – affectueusement – Synthia.

On crée bien de la sorte une « cellule artificielle », car si la cellule de base a bien été empruntée au monde naturel, le nouvel ADN incorporé va par la suite créer ses constituants de base et donc la cellule en question va forcément se modifier.

D’un point de vue de la stricte ingénierie ça marche. Cela ne résout pas forcément toutes les questions au plan scientifique, notamment celle de l’origine de la vie (comment s’est créée la première cellule ?). De plus, la suppression des gènes peut créer des effets secondaires dangereux pour la survie de la cellule ou de son environnement.

La création « bottom-up » implique donc de créer la cellule à partir de composants non vivants. C’est beaucoup plus difficile et spéculatif, mais cela aurait l’avantage non seulement de nous aider à mieux comprendre l’apparition du vivant, mais également, du point de vue de l’efficacité, de se révéler plus contrôlable et moins dangereux, nous expliquent les auteurs d’un texte paru en 2016 dans Materials Today et disponible sur ScienceDirect. En effet utiliser des éléments plus simples rendrait la cellule nouvellement créée plus compréhensible et donc moins susceptible de manifester un comportement inattendu.

Pour créer une forme primitive de cellule, on crée ce qu’on appelle des « liposomes« . Il s’agit d’espèces de bulles dont la surface, la « membrane », est constituée de lipides (des graisses). Les liposomes qui sont le plus utiles sont les liposomes unilamellaires géants ou GUV (pour giant unilamellar vesicle). Ils sont en effet suffisamment gros et solides pour qu’on puisse introduire à l’intérieur des substances diverses, à l’aide de techniques de microfluidique (qui, comme son nom l’indique, est la discipline qui consiste à contrôler le comportement de liquides au niveau du micromètre).

Ajouter un métabolisme

Le métabolisme est une caractéristique fondamentale de la cellule. Et le premier aspect du métabolisme, c’est l’acquisition de l’énergie. Chez les êtres vivants, la molécule de base, le « pétrole » de la biologie, c’est une molécule nommée l’adénosine triphosphate, ou ATP. Il est bien sûr possible d’introduire cette énergie de l’extérieur, nous explique Nature, mais ce serait « tricher ». L’idéal serait d’arriver à produire cette molécule de l’intérieur, grâce à une machinerie propre à la cellule synthétique. Dans le monde du vivant, ce genre de travail est effectué par les chloroplastes (dans le règne végétal) ou par les mitochondries (chez les animaux). L’équipe de Joachim Spatz, à l’institut Max Planck pour la recherche médicale à Heidelberg, a ainsi réussi, nous explique Nature, à créer une sorte de « proto-mitochondrie ». Les chercheurs ont réussi à incruster dans la membrane du liposome une enzyme (les enzymes appartiennent à la classe des protéines) nommée « ATP synthase »
Cette enzyme s’apparente à une espèce de « moulin à eau » explique Nature. Elle est capable de fabriquer de l’énergie à partir de molécules en utilisant le flux des protons passant à travers la membrane pour « tourner ».

Un autre groupe de chercheurs de l’institut Max Planck, dirigé par Tobias Erb, cherche, lui, à s’inspirer des végétaux pour créer des « chloroplastes » artificiels. Erb s’intéresse aux méthodes par lesquelles les micro-organismes effectuant la photosynthèse sont capables de transformer le C02 en malate, molécule qui est impliquée dans la fabrication d’ATP. Pour obtenir cet effet, les chercheurs ont tout d’abord essayé de mixer plus de 17 enzymes issus de 9 organismes… pour un résultat assez peu convaincant. Mais avec du travail, ils ont pu réussir à produire un cocktail 20 % plus efficace que la photosynthèse classique. Cependant, nous précise Nature, cet effet se produit in vitro, dans un tube à essai. Le but serait maintenant de trouver un moyen de « compartimenter les cellules » pour produire un véritable « chloroplaste ».

Créer des compartiments

La « compartimentalisation » est un autre défi posé aux nouveaux ingénieurs cellulaires. Cette fonctionnalité est surtout développée chez les eucaryotes. Il peut paraître un peu tôt pour s’intéresser déjà au problème, alors qu’on n’arrive pas à recréer une cellule plus simple de type procaryote…, mais les applications d’une cellule eucaryote seraient encore plus impressionnantes, nous expliquent les auteurs d’un texte paru dans Trends in Biotechnology, notamment dans le domaine médical. Elles permettraient par exemple de remplacer certaines cellules humaines.

Ledit document nous présente plusieurs tentatives pour bâtir ces « compartiments ». Par exemple, on peut très bien les introduire de l’extérieur grâce à la microfluidique, mais par la suite ils ne pourront plus être modifiés ou contrôlés. Peut-être se demandent les auteurs, faut-il aller plus loin sur la voie de l’artificialité ; en effet, les organites (c’est ainsi qu’on nomme les différents « organes » de la cellule) des cellules eucaryotes sont constitués, comme tous les éléments de la cellule, par des protéines, molécules notoirement difficiles à manipuler. C’est pourquoi l’auteur suggère d’utiliser la « nanotechnologie ADN« . En effet, la « double hélice » se révèle être un matériau de construction aisément malléable, la technologie de l' »origami » étant l’exemple le plus connu de ces applications. Pour les auteurs, « s’éloigner des blocs de construction fournis par la nature s’avère conceptuellement intéressant et ouvre la voie vers des systèmes véritablement synthétiques, ce qui a de profondes implications pour la définition de la vie elle-même. Dans certains cas, cependant, il restera difficile d’égaler l’efficacité et la sophistication des solutions d’ingénierie offertes par la nature. Par conséquent, une approche combinant des blocs de construction naturels avec d’autres, synthétiques, se révélera probablement la meilleure stratégie. Il sera également enrichissant d’associer les approches bottom-up et top-down de la biologie synthétique. »

Ensuite, le code génétique rentrera en jeu. Ce sera le moment de réincorporer les travaux sur « Synthia » effectués au Venter Institute.

Il restera à permettre à ces cellules de se développer, d’évoluer, bref de se conduire comme de véritables êtres vivants. Et bien sûr se posera alors la question des risques et du contrôle. Mais avant de s’inquiéter de leur prolifération encore faudra-t-il que ces cellules artificielles arrivent à survivre…

Rémi Sussan