On espère que les cellules créées dans un tube à essai pourront répondre à certaines des questions majeures de la biologie. Quel est le minimum dont une cellule a besoin pour vivre ? Et comment a commencé la vie sur Terre ? Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la dynamique des systèmes techniques complexes de Magdebourg et du Centre de recherche Paul Pascal du CNRS et de l'Université de Bordeaux présentent aujourd'hui les précurseurs d'une cellule artificielle. Dans une expérience de biologie synthétique, ils ont réussi à incorporer la forme simple d'une fonction métabolique dans des gouttelettes microscopiques :une réaction chimique, maintenu par un approvisionnement énergétique intégré.

"Comment un organisme vivant évite-t-il de se détériorer ?", Erwin Schrödinger demande dans son livre, "Qu'est ce que la vie?", dans lequel il explique les aspects physiques de la matière vivante. Selon le physicien, la réponse est simple :« En mangeant, boire et respirer (...)". Le terme spécialisé utilisé pour cela est "métabolisme", mieux connu sous le nom de "fonction métabolique". Les processus biochimiques qui se produisent permettent aux organismes vivants de gagner de l'énergie et d'accumuler ou de décomposer des substances. Pour les cellules individuelles, aussi, qu'il s'agisse d'organismes unicellulaires ou qu'ils soient organisés au sein d'un organisme plus vaste, la fonction métabolique est essentielle à la capacité de vivre et de survivre.

Les cellules vivantes ont besoin d'un métabolisme et d'une frontière avec l'environnement

Par conséquent, si les chercheurs en biologie synthétique souhaitent synthétiser des cellules, entre autres, ils doivent intégrer un métabolisme dans un espace séparé de l'environnement. C'est précisément ce que les scientifiques, dirigé par Jean-Christophe Baret du Centre de Recherche Paul Pascal (CRPP, en anglais :le Centre de Recherche Paul Pascal) à Bordeaux et Kai Sundmacher du Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems à Magdebourg, ont maintenant réussi à le faire sous une forme simplifiée. Ici, leurs cellules artificielles n'étaient constituées que de gouttelettes d'eau microscopiques, qui se sont formés dans l'huile. Ils ont servi aux chercheurs de minuscules unités séparées de leur environnement, similaires à des cellules séparées de leur environnement par une membrane.

Les chercheurs ont ajouté différents composants moléculaires à l'intérieur de ces gouttelettes, qui à son tour simulait une réaction métabolique. Certes, à première vue, une telle cellule synthétique simplifiée semble très différente de son équivalent naturel. Cependant, une chose est sûre :« D'un point de vue technologique, ces systèmes minimaux sont des modèles pertinents à partir desquels des systèmes plus complexes et plus proches de la nature peuvent être développés", Kai Sundmacher, Le directeur de l'Institut Max Planck de Magdebourg explique.

Quels sont les composants décisifs pour une cellule vivante ?

Selon Ivan Ivanov, ingénieur et chercheur à l'Institut Max Planck de Dynamique des Systèmes Techniques Complexes, lui et ses collègues voulaient au départ de toute façon seulement concevoir un système minimal qui possède les propriétés de base de la cellule. C'est le seul moyen qui permet de savoir quels composants sont finalement d'une importance décisive pour la vie. Pas à pas, lui et ses collègues ont donc construit un modèle de fonction métabolique à partir de composants moléculaires. Le jargon utilisé par les spécialistes pour cette procédure est le principe bottom-up.

Pour les ingénieurs, l'approche bottom-up fait partie de leur travail quotidien, mais pour les biologistes synthétiques, ce n'est pas. Au lieu, ils fonctionnent généralement selon le principe descendant. Ils partent d'un véritable organisme, qu'ils modifient à l'aide de méthodes de technologie génétique, le dotant ainsi de nouvelles fonctions et propriétés. « Dans le matériel génétique des cellules, cependant, il y a beaucoup de choses qui sont redondantes ou même inutiles", Ivanov explique, en référence au problème de l'utilisation de top. vers le bas approche. Après tout, dans ces cas, les scientifiques n'apprennent pas quelles caractéristiques sont vraiment nécessaires à la création de la vie.

La technique microfluidique produit des gouttelettes selon les besoins

En plus de la fonction métabolique, la séparation de l'environnement est également nécessaire. Comme l'explique Ivanov, "Chaque cellule a une paroi dans une certaine mesure, qui le sépare de son environnement". Ces compartiments séparés, comme les appellent les spécialistes, peut être créé à travers des membranes ou, comme dans ce travail en cours, à travers des gouttelettes.

Les chercheurs utilisent ce qu'on appelle la « technologie microfluidique », ce qui permet de produire des microgouttelettes en grand nombre et de les analyser rapidement. Ici, les scientifiques ont pu ajuster finement à la fois la taille et la composition selon les besoins. A l'aide de modules microfluidiques, ils ont ensuite rempli les compartiments avec du phosphate de glucose et le cofacteur NAD+. Dans une certaine mesure, le premier fournit des nutriments pour les cellules artificielles, qui en présence du cofacteur NAD+ sont transformés en un produit chimique final tout en libérant de l'énergie chimique.

Le NAD+ joue également un rôle dans le métabolisme des cellules vivantes, et absorbe de l'hydrogène au cours de la réaction métabolique, pour qu'il soit converti en NADH. Pour que la réaction soit maintenue dans la réalité, les scientifiques ont ajouté un module qui régénère le NAD+ en oxydant le NADH en NAD+. Ainsi, le cofacteur est toujours disponible sous sa forme requise.

Si le phosphate de glucose a été entièrement utilisé, les cellules entrent dans une certaine mesure en mode veille, qui pourraient être interrompus par une alimentation renouvelée avec leurs nutriments, en utilisant – encore – un système de microinjection.

Les vraies cellules doivent se multiplier et stocker leur conception structurelle

Selon le chef de projet, Jean-Christophe Baret, le métabolisme modèle a toutes les caractéristiques de base de la fonction métabolique naturelle et offre une plate-forme pour d'autres études :« Avec la technologie microfluidique, nous pouvons produire des quantités contrôlées de ces composants élémentaires et leur donner des fonctions encore plus complexes. De cette façon, des hypothèses peuvent à leur tour être testées concernant la création de la vie à partir d'ingrédients connus et contrôlés. de tels systèmes nécessitent également la capacité de se reproduire, par exemple, ainsi qu'un mécanisme de stockage de leur conception structurelle, un ensemble de fonctionnalités encore devant nous.

Cependant, même sans ces fonctionnalités, pour l'auteur principal de la publication, Thomas Beneyton, il est possible que de tels systèmes artificiels se comportent de la même manière que les systèmes biologiques. Par exemple, les gouttelettes peuvent être produites avec une « aptitude inégale, en d'autres termes, avec un appétit différent ou avec une quantité variable de nutriments et permettent l'échange de nutriments entre les cellules. De cette façon, une situation de concurrence pourrait être créée comme celles qui sont également observées entre les cellules réelles. De telles cellules de gouttelettes se comporteraient alors tout à fait conformément.