Une équipe internationale de scientifiques des États-Unis, de France et de Chine a créé une forme de vie semi-synthétique. Bien que des tentatives pour obtenir des bactéries avec de l'ADN modifié aient déjà été faites, les micro-organismes se sont mal multipliés, ont nécessité des conditions de croissance spéciales et ont finalement éliminé les modifications qui y étaient introduites. "Lenta.ru" parle d'un nouveau travail dans lequel les chercheurs ont réussi à résoudre ces problèmes, ayant obtenu une créature qui est radicalement différente de toute vie naturelle sur Terre.
Plus récemment, l'ADN de tous les organismes vivants de notre planète se composait de quatre types de nucléotides contenant de l'adénine (A), ou de la thymine (T), ou de la guanine (G) ou de la cytosine ©. Des chaînes de dizaines ou de centaines de millions de nucléotides forment des chromosomes séparés. Les gènes trouvés sur les chromosomes sont essentiellement de longues séquences nucléotidiques dans lesquelles les séquences d'acides aminés des protéines sont codées. La combinaison de trois nucléotides consécutifs (codon ou triplet) correspond à l'un des 20 acides aminés. Ainsi, la vie utilise un code génétique à trois lettres (ATG, CGC, etc.) basé sur un alphabet à quatre lettres (A, C, T, G).
Lorsqu'une cellule d'un organisme a besoin d'une protéine (polypeptide), le gène codant pour elle est activé. Ce dernier est attaché à une enzyme spéciale appelée ARN polymérase, qui, au cours du processus de transcription, commence à suivre la séquence des nucléotides et à en créer une copie sous la forme d'une molécule appelée ARN messager (ARNm). L'ARN est très similaire à l'ADN, mais au lieu de la thymine, il contient de l'uracile (U). Après cela, l'ARNm quitte le noyau cellulaire et se dirige vers les ribosomes, où il sert de recette pour créer la chaîne d'acides aminés de la protéine pendant la traduction.
Les chercheurs ont décidé de changer le code génétique d'Escherichia coli en y ajoutant deux «lettres» supplémentaires. Le fait est que l'ADN dans les organismes vivants est double, c'est-à-dire qu'il est formé de deux chaînes qui sont appariées l'une à l'autre par des liaisons complémentaires. De telles liaisons sont formées entre la base du nucléotide A d'un brin et la base du nucléotide T de l'autre (de manière similaire, entre C et G). C'est pourquoi les deux nouveaux nucléotides synthétiques doivent également pouvoir s'apparier de manière complémentaire. Le choix s'est porté sur dNaM et d5SICS.
E. coli Escherichia coli
Photo: Laboratoires Rocky Mountain / NIAID / NIH
Une paire de nucléotides synthétiques a été insérée dans un plasmide - une molécule d'ADN circulaire à double brin capable de se multiplier séparément du reste du génome bactérien. Ils ont remplacé une paire de nucléotides complémentaires A et T, qui faisaient partie de l'opéron lactose - un ensemble de gènes qui métabolisent le sucre lactose et les séquences d'ADN non codantes qui leur sont associées. Les nucléotides synthétiques n'étaient pas inclus dans la région que la polymérase copie dans l'ARNm.
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Pourquoi les scientifiques ont-ils décidé de ne pas insérer de nucléotides synthétiques directement dans le gène, mais à côté? Le fait est qu'il est très difficile de modifier un gène de cette manière pour qu'il reste fonctionnel. Après tout, pour cela, vous devez lier les nouveaux codons résultants à n'importe quel acide aminé. Pour cela, à son tour, il est nécessaire d'enseigner à la cellule de produire divers types d'ARN de transport (ARNt) qui peuvent reconnaître ces codons.
Les molécules d'ARNt remplissent la fonction suivante. Ils, comme des camions, transportent un certain acide aminé à une extrémité, s'approchent de l'ARNm dans les ribosomes et, à leur tour, commencent à faire correspondre le triplet de nucléotides à l'autre extrémité avec le codon. S'ils correspondent, l'acide aminé est éliminé et incorporé dans la protéine. Cependant, s'il n'y a pas d'ARNt approprié, la protéine ne sera pas synthétisée, ce qui peut affecter négativement la viabilité cellulaire. Par conséquent, en insérant des nucléotides synthétiques dans des gènes, les scientifiques devraient créer des gènes qui codent pour de nouveaux ARNt capables de reconnaître des codons artificiels et d'attacher le bon acide aminé au polypeptide. Cependant, la tâche des chercheurs était plus simple. Ils devaient s'assurer que le plasmide contenant des nucléotides synthétiques se multiplierait avec succès et serait transmis aux organismes filles.
Plasmides utilisés pour transformer Escherichia coli
Image: Denis A. Malyshev / Kirandeep Dhami / Thomas Lavergne / Tingjian Chen / Nan Dai / Jeremy M. Foster / Ivan R. Correa / Floyd E. Romesberg / Nature / Département de chimie / The Scripps Research Institute
Ce plasmide, appelé pINF, a été introduit dans E. coli. Cependant, pour le copier, il est nécessaire que de nombreux nucléotides soient présents à l'intérieur de la cellule bactérienne. A cet effet, un autre plasmide, pCDF-1b, a été inséré dans E. coli. Il contenait le gène de la diatomée Phaeodactylum tricornutum PtNTT2, qui code pour la protéine NTT, qui transporte les nucléotides du milieu nutritif dans la cellule.
Cependant, les scientifiques ont rencontré un certain nombre de difficultés. Premièrement, les protéines de Phaeodactylum tricornutum ont un effet toxique sur la cellule d'E. Coli. Tout cela à cause de la présence en eux d'un fragment de la séquence d'acides aminés, qui porte une fonction de signalisation. Grâce à elle, la protéine prend la bonne position dans la cellule d'algue, après quoi la séquence est supprimée. E. coli est incapable de supprimer ce fragment, les chercheurs l'ont donc aidée. Ils ont pu éliminer les 65 premiers acides aminés de NTT. Cette toxicité a considérablement réduit, bien qu'elle ait également réduit le taux de transport des nucléotides.
Un autre problème était que les nucléotides synthétiques étaient conservés dans les plasmides pendant une longue période et n'étaient pas remplacés lorsque l'ADN était copié. Il s'est avéré que leur sécurité dépendait des nucléotides qui les entouraient. Pour le savoir, les scientifiques ont analysé diverses combinaisons intégrées dans 16 plasmides. Pour comprendre si un nucléotide synthétique avait abandonné la séquence, les chercheurs ont utilisé la technologie CRISPR / Cas9.
CRISPR / Cas9
Image: Steve Dixon / Feng Zhang / MIT
CRISPR / Cas9 est un mécanisme moléculaire qui existe à l'intérieur des bactéries et leur permet de combattre les bactériophages. En d'autres termes, cette technologie représente une immunité contre les infections virales. CRISPR sont des sections spéciales d'ADN. Ils contiennent de courts fragments de virus à ADN qui ont autrefois infecté les ancêtres des bactéries d'aujourd'hui, mais qui ont été vaincus par leurs défenses internes.
Lorsque le bactériophage pénètre dans la bactérie, ces fragments sont utilisés comme matrice pour la synthèse de molécules appelées ARNr. De nombreuses chaînes d'ARN différentes se forment, elles se lient à la protéine Cas9, dont la tâche est de couper l'ADN du virus. Il ne peut le faire qu'après que l'ARNr a trouvé un fragment complémentaire d'ADN viral.
Si, au lieu de l'ARNr, une séquence d'ARN complémentaire d'un certain fragment du plasmide est utilisée, alors Cas9 coupera également le plasmide. Mais s'il y a des nucléotides synthétiques dans ce fragment, la protéine ne fonctionnera pas. Ainsi, en utilisant CRISPR, il est possible d'isoler les plasmides résistants aux mutations indésirables. Il s'est avéré que dans 13 des 16 plasmides, la perte de nucléotides synthétiques était insignifiante.
Ainsi, les chercheurs ont réussi à créer un organisme avec des changements fondamentaux dans l'ADN, capable de les conserver en lui indéfiniment.
Bien qu'une forme de vie semi-synthétique ne possède que deux nucléotides artificiels dans son génome, qui ne se trouvent pas dans les codons et ne sont pas impliqués dans le codage des acides aminés, c'est le premier organisme résistant dont l'alphabet ADN se compose de six lettres. À l'avenir, les scientifiques pourront probablement utiliser cette innovation pour synthétiser des protéines, créant ainsi un code génétique artificiel à part entière.
Alexandre Enikeev
