Retour sur Synthia

Synthia : la première bactérie contrôlée par chromosome synthétique a été créée

Le 20 mai 2010, après 15 ans de travail d'une équipe de 20 personnes et 40 millions de dollars d'investissements, une équipe de l'institut J.Craig Venter, a créé la première bactérie controlée par un chromosome synthétique.

Une prouesse technologique

1. Synthèse d’un chromosome bactérien circulaire de type Mycoplasma mycoides

a. Synthèse de plus de 1000 cassettes d'environ 1000 pb obtenus par assemblage d'oligonucléotides issus de synthèse chimique par l'entreprise Blue Heron;

b. Assemblage en 111 intermédiaires synthétiques de 10 kb à partir de fragments précédents recombinés dans Sacharomyces cerivisae et transférés dans Escherichia coli;

c. Assemblage en 11 intermédiaires synthétiques de 100 kb à partir des fragments précédents

d. Assemblage des fragments de 100 kb en un unique chromosome bactérien circulaire de 1.08-Mbp

2. Transfert de ce chromosome bactérien dans des cellules bactériennes pré-existantes du type Mycoplasma capricolum

3. Selection d'une population de cellule possédant uniquement le chromosome synthétique

a. Nom : Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0

b. Surnom : Synthia

Résultat
Les cellules Synthia, avec un unique chromosome de type synthétique sont capables de se répliquer, et de croître de manière exponentielle. Elles sont aussi capables de faire de la transcription de leur gène en ARN, et de faire ensuite des protéines par traduction. Leurs propriétés morphologiques et phénotypiques (protéomique, vitesse de croissance) sont équivalentes aux cellules naturelles de type Mycoplasma mycoides.

Une cellule de synthèse, mais réalisée par transfert dans une cellule pré-existante

Les auteurs utilisent le terme de "cellule de synthèse" pour une cellule contrôlée par un génome assemblé à partir de pièces d'ADN synthétisé de manière chimique, même si le cytoplasme de la cellule hôte initiale n'est pas lui d'origine synthétique. Nous pouvons donc dire que stricto-sensu, ces chercheurs n’ont pas créé la vie puisqu'ils ont utilisé une cellule pré-existante (membranes, cytoplasme, ribosome, protéines chaperons etc...). Si l'on compare la cellule à un ordinateur, ils ont changé le disque dur (nouveau chromosome) et y ont mis un nouveau système d'exploitation (le nouveau génome). Toutefois, comme la vie a la propriété intéressante de se répliquer, ce nouvel ordinateur est aussi une usine à fabriquer de nouveaux ordinateurs. En quelques cycles, le nouvel ordinateur n'a plus aucune pièce d'origine : nouveau boîtier (membrane), nouveau lecteur de dvd (ribosome, arn polymerase), etc ...

Un petite bactérie pour l'homme, une grande bactérie pour l'humanité

Nous sommes bien devant un changement indéniable : l'information génétique portée par cette bactérie n'a pas une origine héréditaire : elle est entièrement issue d'un ordinateur. La biologie de synthèse apporte un changement de paradigme : "comprendre en construisant, inférer pour construire, construire pour comprendre. La rupture est complète avec la démarche déductiviste, amont fondamental versus aval appliqué, académie versus atelier, lauriers versus cambouis." (Ph Marlière).

Les prochaines étapes

Le génome synthétique de Synthia est de 1 Mb. La prochaine étape sera de concevoir un organisme d'environ 2 Mb, taille permettant d'avoir un génome adapté à des applications en biotechnologies adaptées aux défis que l'humanité doit relever : cellules produisant du biocarburant de nouvelle génération à partir de biomasse non alimentaire, voire de milieux minéraux ; cellules pouvant dépolluler les sols ; cellules capables de fabriquer des médicaments ...

Le prochain défi se situe surtout dans le design rationnel de ces organismes de synthèse. En effet, le génome qu'ils ont fabriqué est la copie d'un génome existant, avec quelques modifications (erreur de synthèse, site de construction, filigrame d'identification). Demain, nous aurons besoin d'être capables de synthétiser des génomes dont la séquence répondra spécifiquement à nos besoins. Un des défis majeurs sera de sécuriser ces organismes de synthèse : après les OGM, organismes génétiquement modifiés, nous allons assister au développement d "OGS", organismes génétiquement sécurisés.

Une technologie duale

La maîtrise des technologies de synthèse, d'assemblage et de transfert, pourra conduire à des applications bénéfiques, mais son utilisation peut également être détournée dans le cas du bioterrorisme. Le Président Obama a demandé que soit faite une étude précise des impacts sociétaux de cette technologie naissante. En Europe, plusieurs rapports et études ont déjà été menés à destination des politiques et des scientifiques.

Annexe 1: Définition de la biologie de synthèse

La biologie synthétique est un nouveau champ de recherches au sein duquel des scientifiques et des ingénieurs cherchent à modifier des organismes existants en créant et synthétisant des gènes ou protéines artificiels, des voies métaboliques ou développementales et des systèmes biologiques complets pour comprendre les mécanismes moléculaires de base des organismes biologiques et exécuter de nouvelles fonctions utiles. Elle se base sur des technologies combinant le séquençage et la synthèse d'ADN, la microfluidique, les bioréacteurs et l'informatique, et sur des méthodologies d'ingénierie (abstraction, modularisation, standardisation et modélisation).

Annexe 2 : Formation

Les étudiants français ont eu l'occasion de se frotter à la biologie de synthèse via la compétition internationale iGEM et ont remporté en 2007, le prix de recherche fondamentale et en 2009, le prix de l'étique. En France, il existe 2 formations de niveau master proposant une spécialisation en biologie de synthèse (Master aIv - http://www.aiv-paris.org/fr/m1-cours-aiv/ ; Master mSSB http://www.mssb.fr/)

Références

Illustration de Sumitta Samair

1. [EN] Daniel G. Gibson et al., “Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome” Science (Mai 20, 2010): science.1190719.

2. [EN] Daniel G Gibson, “Synthesis of DNA fragments in yeast by one-step assembly of overlapping oligonucleotides” Nucleic Acids Research 37, n°. 20 (Novembre 2009): 6984-6990.

3. [EN] Daniel G Gibson et al., “Enzymatic assembly of DNA molecules up to several hundred kilobases” Nature Methods 6, n°. 5 (Mai 2009): 343-345.

4. [EN] Synbiosafe, Safety and Ethical Aspects of Synthetic Biology http://www.synbiosafe.eu/

5. [FR] Quel business model pour la biologie synthétique ?, François Le Fèvre http://biocamp.blogspot.com/2008/10/quel-business-model-pour-la-biologie.html

6. [FR] Avis sur l'éthique de la biologie synthétique : http://ec.europa.eu/european_group_ethics/docs/press_release_opinion_25_fr.pdf

7. [FR] Cycle sur la Biologie de synthèse : http://www.vivagora.org/spip.php?rubrique70

8. [FR] iGEM Le Monde, novembre 2009, Un gène éthique qui vaut de l'or

9. [FR] L'équipe parisienne: http://www.igem-paris.org/

10. [FR] Discusion entre

a. contre synthétique, Hervé Le Crosnier, "Ne pas ouvrir la boîte de Pandore de la biologie synthétique", (mai 2010): Vivagora http://www.vivagora.org/spip.php?article705

b. pro synthétique, Philippe Marlière “Prométhée, Pandore et Pétri”, (mai 2010): Vivagora http://www.vivagora.org/spip.php?article706