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Le mystère non élucidé des composants de base de la vie

GARRISON, NEW YORK – Imaginez un instant que vous tombiez par hasard sur un trésor de dispositifs merveilleux laissés par une civilisation ancienne. Ces instruments mystérieux varient considérablement en taille et en complexité, mais ils partagent tous quelques capacités merveilleuses.

Pour comprendre leur fonctionnement, il semble logique de commencer par le dispositif le plus simple et le plus petit, puis de systématiquement détailler les pièces jusqu'à ce qu'il cesse de fonctionner. Tout ce qui n'est pas essentiel aura en fin de compte disparu : seuls les composants nécessaires pour accomplir ses fonctions de base seront présents. Et une fois que vous aurez compris la fonction de chacune de ces pièces, vous aurez alors votre réponse.

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Voilà à peu de choses près le périple que le biotechnologue américain J. Craig Venter et ses collègues ont entrepris depuis les vingt dernières années. La seule différence étant que leurs dispositifs merveilleux ne sont pas des vestiges archéologiques, mais des organismes vivants. Et que les pièces qu'ils essaient de comprendre sont les gènes que nous partageons avec toutes les autres formes de vie reproductives autonomes.

Dans un article récent de la revue Science, Venter et ses collègues ont annoncé avoir créé le plus petit organisme vivant capable de se reproduire. Leur création, du nom de JCVI-syn3.0, une simple cellule dotée uniquement des gènes essentiels à la vie, a un génome plus petit que celui de tout organisme à réplication autonome dans la nature, mais plus grand par rapport à ceux que l'on trouve dans les virus et dans d'autres entités qui comptent sur leurs hôtes pour accomplir leurs fonctions essentielles.

Venter et son équipe ont créé leur organisme par un processus d'essais et d'erreurs. Ils ont commencé par utiliser leurs connaissances en biologie pour déduire l'ensemble minimal de gènes nécessaires à la vie. Cette approche a échoué.

À la place de cette première approche, ils ont choisi un organisme existant et ont commencé à en retirer graduellement certains composants. Ils ont entamé ce processus sur le génome de Mycoplasma mycoides, une bactérie parasite qui infecte le bétail et les chèvres, qui est également un proche parent de Mycoplasma genitalium et qui a le plus petit nombre de gènes connus (seulement 525), parmi les bactéries vivant en liberté.

L'équipe a décomposé le génome de M. mycoides en huit fragments et a commencé à supprimer les gènes un par un. Si l'organisme reconstruit ne parvenait pas réussi à prospérer, le gène était conservé. Si un gène ne paraissait avoir aucun rôle, il était supprimé. En fin de compte, 473 gènes ont été nécessaires au développement de cet organisme. (Les humains, en comparaison, comptent à peu près 20 000 gènes.)

Le résultat le plus important du travail de l'équipe de Venter a consisté à révéler le peu de choses que nous savons sur les éléments fondamentaux de la vie. La plupart des 473 gènes s'occupent des tâches ménagères : ils fabriquent des protéines, veillent à conserver l'ADN en bon état et sont responsables de la membrane et du cytoplasme de la cellule. Mais 149 gènes ont chacun une fonction inconnue. En d'autres termes, le but de près d'un tiers des gènes nécessaires au maintien d'un organisme vivant en bonne santé et capable de se reproduire reste un mystère.

Sur les 149 gènes aux fonctions inconnues, 70 ont une structure qui fournit au moins quelques indices sur leur rôle dans la cellule. Mais nous ne savons rien sur les 79 autres, sinon que dans ces organismes et dans cet environnement, la vie est impossible sans eux. En outre, comme Venter et ses collègues le reconnaissent, si l'équipe avait commencé par un microbe différent, ou l'avait fait se développer dans un environnement différent, l'ensemble des gènes nécessaires aurait été différent. Leur génome est donc un génome minimal et non pas le génome minimal.

Tout cela implique de nombreuses découvertes passionnantes à venir. Et pourtant, sur le plan de ses objectifs commerciaux pratiques, cette nouvelle donne bien plus à réfléchir.

L'un des principaux objectifs de la biologie synthétique a consisté à créer une plate-forme ou un châssis, en vue de l'utiliser comme une base pour construire des organismes pour des tâches spécifiques. Tout comme Volkswagen utilise sa plate-forme A5 pour construire 19 véhicules différents, du modèle de luxe Audi A3, aux petits 4x4 et aux modèles à petit budget, un châssis biologique était censé être une plate-forme microbienne minimale sur laquelle devait être assemblées des instructions génétiques pour fabriquer des médicaments, des biocarburants, des produits cosmétiques et ainsi de suite.

Avec la publication de l'article dans Science, deux défis deviennent évidents. La première chose, c'est que la biologie est complexe. Comme le montrent les travaux de Venter, nous n'avons pas encore une connaissance suffisante des mécanismes essentiels de la biologie de base pour concevoir et construire une cellule. Les gènes ne fonctionnent pas comme des pare-chocs ou des freins : on ne peut pas les monter sur un châssis pour effectuer une fonction, indépendamment des autres composants. Les gènes interagissent : ils s'amplifient, s'atténuent ou même se font taire mutuellement. Et ces effets, à leur tour, influencent encore d'autres gènes.

Il se trouve que les génomes fonctionnent moins comme des machines que comme des écosystèmes, aux relations innombrables et aux boucles de rétroaction complexes. Ajouter des parties de génome à un organisme synthétique afin d'obtenir un résultat prévisible peut s'avérer bien plus difficile que le croyaient les partisans du modèle du châssis.

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Le second défi concerne la concurrence. Lorsque Venter et son équipe ont débuté leur entreprise, les ingénieurs en génétique disposaient d'outils puissants bien que rudimentaires par rapport aux normes modernes. Au cours des dernières années, les scientifiques ont découvert des manières de modifier les gènes avec une plus grande précision. La plus importante, connue sous le nom de CRISPR Cas9, sectionne l'ADN avec une précision remarquable, mais non parfaite. En conséquence, l'édition de gènes apparaît comme une nouvelle stratégie par rapport au modèle du châssis, pour adapter les microbes à la fabrication de produits utiles.

Il est impossible de savoir si les organismes synthétiques comme JCVI-syn 3.0 ou les techniques d'édition de gènes de Venter se révèleront commercialement dominantes en biotechnologie, ou même si une autre méthode va les supplanter. Nous pouvons toutefois être assurés que notre connaissance des bases de la biologie va s'approfondir et que notre capacité croissante à manipuler des organismes vivants va nous confronter à des problématiques éthiques de plus en plus sérieuses.