Les scientifiques amènent les cellules avec les plus petits génomes du monde à se reproduire normalement | Science
Les cellules avec un génome dépouillé avaient une variété de tailles inappropriées (à gauche) jusqu’à ce que les scientifiques ajoutent sept gènes et rétablissent leur forme normale (à droite).
JF Pelletier et al., Cellule (2021) 184, 1-11
Par Mitch Leslie
Il y a cinq ans, les chercheurs ont annoncé en grande pompe qu’ils avaient conçu une cellule microbienne dépouillée capable de survivre avec moins de gènes que n’importe quel organisme connu. Mais cette «cellule minimale» se divise souvent anormalement. Désormais, en ne remettant que sept gènes, une équipe a corrigé les cellules pour qu’elles se développent comme les versions naturelles.
La découverte pourrait aiguiser la compréhension des scientifiques sur les fonctions cruciales pour les cellules normales et sur ce que font les nombreux gènes mystérieux de ces organismes, explique la biologiste synthétique Kate Adamala de l’Université du Minnesota, Twin Cities. «C’est un pas en avant important qui peut peut-être aider à identifier les fonctions de ces gènes inconnus.»
L’identification de gènes essentiels pourrait également profiter aux biologistes synthétiques, qui travaillent à la fabrication de cellules ou d’objets ressemblant à des cellules qui pourraient produire des produits chimiques, détecter les conditions environnementales, administrer des médicaments et effectuer d’autres tâches dans l’industrie et la médecine. «Nous devons savoir quelle est la liste minimale des pièces que nous devons rassembler pour restaurer la vie», déclare le microbiologiste Anthony Vecchiarelli de l’Université du Michigan, Ann Arbor. Des cellules minimales pourraient également fournir un aperçu de l’origine de la vie en éclairant les capacités essentielles pour les cellules primordiales.
Le pionnier du séquençage du génome, J. Craig Venter du J. Craig Venter Institute (JCVI) et ses collègues ont créé les premières cellules minimales. Ils ont commencé avec Mycoplasme microbes, parasites qui sont déjà assez minimes – une variété se débrouille avec 525 gènes, contre environ 4000 de la bactérie intestinale commune Escherichia coli. En 2010, l’équipe a signalé que le remplacement du génome du gène 985 d’un type de Mycoplasme avec un génome synthétique de 901 gènes a maintenu la cellule, surnommée syn1.0, ronronnant. Les scientifiques ont continué à retirer des morceaux d’ADN du génome de syn1.0 et, en 2016, ils ont dévoilé une version encore plus éparse, connue sous le nom de syn3.0, qui pourrait métaboliser et se reproduire avec un maigre 473 gènes.
Mais cette cellule a aussi une particularité: une grande partie de sa progéniture est déformée. Pour vérifier si les conditions de laboratoire pourraient stresser les cellules synthétiques délicates, un groupe dirigé par la biologiste synthétique Elizabeth Strychalski du National Institute of Standards and Technology a choyé les cellules dans des chambres sur des puces microfluidiques. Ces quartiers de luxe ont protégé les cellules des courants dans le milieu nutritif qui pourraient leur nuire et ont permis aux chercheurs de regarder pendant qu’elles se divisaient.
Ce traitement doux n’a cependant pas fait de différence. «Quand nous avons examiné le niveau des cellules individuelles, c’était le chaos absolu», dit Strychalski, qui a travaillé avec des collègues de JCVI et de trois universités. Les cellules auraient dû être de petits orbes, mais certains étaient des mastodontes environ 25 fois la circonférence normale. D’autres ressemblaient à des fils ou à des chaînes de perles. La manipulation brutale n’était pas le problème, ont conclu les chercheurs; au lieu de cela, le problème provenait de l’élimination des gènes qui aident à contrôler la reproduction et la forme des cellules.
Il n’était pas évident de savoir quels gènes manquants étaient à blâmer, mais un indice se trouvait dans un congélateur de laboratoire. Pour créer syn3.0, Venter et ses collègues avaient généré une variété d’autres souches de cellules dépourvues de parties du génome de syn1.0. Lorsque Strychalski et son équipe ont décongelé l’une de ces souches, qui manquait 76 des gènes de syn1.0, elle a également produit une descendance de forme anormale. «Cela nous a aidés à réduire les gènes de 400 à 76», déclare le co-auteur James Pelletier, biophysicien au Massachusetts Institute of Technology.
En ajoutant des combinaisons de gènes pour déterminer si les cellules résultantes se divisaient normalement, les chercheurs ont réduit le nombre requis à 19, puis encore plus. Aujourd’hui dans Cellule, ils rapportent qu’ils pourraient restaurer la division normale en ajoutant seulement sept gènes à syn3.0.
Deux des gènes étaient déjà connus pour jouer un rôle dans la division cellulaire, mais l’implication des cinq autres a été une surprise – et leur rôle dans le clivage des microbes reste inconnu. Les cellules minimales corrigées pourraient aider à élucider ce processus encore mystérieux, dit Strychalski: «Nous ne connaissons toujours pas le mécanisme par lequel ces choses se divisent. Cela me bouleverse l’esprit – c’est l’un des aspects fondamentaux de la vie. «