Quels critères une cellule créée synthétiquement doit-elle remplir pour être considérée comme vivante ? Quelles sont les exigences minimales pour les fonctions individuelles d'une telle cellule ?

Des questions comme celles-ci motivent Petra Schwille et son équipe à l'Institut Max Planck de biochimie. Maintenant, les scientifiques ont montré qu'il ne faut que cinq blocs de construction biologiques pour générer des structures semblables à des cellules qui présentent un mouvement autonome tout en consommant de l'énergie. La découverte de ces pulsations, battre les vésicules a été une surprise, car au départ, les scientifiques voulaient étudier les processus liés à la division cellulaire. L'étude a été publiée dans la revue Angewandte Chemie Édition Internationale .

La biologie synthétique s'est donné pour mission d'imiter les systèmes biologiques, ou même les modifier de manière à permettre de nouvelles applications. En tant que tel, la fonction cellulaire peut être reproduite dans l'éprouvette et ainsi mieux comprise, qui peuvent conduire à des avancées technologiques. Les briques moléculaires utilisées sont pour la plupart d'origine biologique, mais les chercheurs peuvent soit imiter les mécanismes naturels, soit poursuivre de nouvelles approches.

Souvent, cela fait partie de la biologie synthétique d'enfermer les blocs de construction biologiques dans des récipients microscopiques afin de reproduire les conditions dans les cellules vivantes. Les conteneurs populaires sont ce qu'on appelle des vésicules géantes.

Ces structures en forme de bulles sont constituées d'une fine couche lipidique qui ressemble à la membrane cellulaire. En outre, ils partagent d'autres propriétés, par exemple. leur taille (1-100 µm), avec des cellules vivantes. Cela en fait un système modèle idéal en biologie cellulaire synthétique.

Les scientifiques de l'Institut de biochimie Max Planck ont ​​maintenant enfermé deux protéines différentes et une énergie chimique sous forme d'ATP dans les vésicules géantes ressemblant à des cellules. Sous le microscope, ils ont observé que les structures ont commencé à se déplacer indépendamment et périodiquement. Dans leur publication en, ils décrivent ces structures comme des « vésicules battantes ».

Comment une cellule détermine-t-elle son centre ?

Les protéines utilisées pour ces expériences proviennent de la bactérie intestinale Escherichia coli, qui sert de système modèle important dans la recherche biologique. Ces bactéries ont une forme allongée et se divisent exactement en leur centre. Pour savoir où se trouve ce centre, les bactéries en forme de bâtonnets utilisent un mécanisme sophistiqué :les protéines MinD et MinE oscillent entre les deux extrémités de la bactérie. La machinerie de la division cellulaire est repoussée par ces protéines et s'installe le plus loin possible des extrémités :en plein centre de la cellule.

Modèles de voyage

Maintenant, des chercheurs du Département de biophysique cellulaire et moléculaire de l'Institut de biochimie Max Planck ont ​​réussi pour la première fois à encapsuler ces protéines oscillantes dans des vésicules géantes. L'équipe de Petra Schwille a observé que les protéines des vésicules géantes se déplacent périodiquement et oscillent d'avant en arrière, de la même manière que les bactéries vivantes.

Dans les expériences futures, les chercheurs prévoient d'enfermer d'autres composants dans les vésicules. Cela pourrait permettre aux vésicules de se diviser et ainsi de se multiplier. Cependant, les modèles de protéines clignotantes n'étaient pas le seul effet que les scientifiques ont observé au microscope :les vésicules se déplaçaient de manière autonome et changeaient rythmiquement leur forme comme des balles en caoutchouc rebondissantes.

Thomas Litschel, premier auteur de l'étude, explique que les observations ont été une surprise, comme on ne savait pas auparavant qu'un système aussi simple, construit à partir de quelques blocs de construction seulement, pourrait conduire à des déformations dynamiques de la membrane de cette ampleur. "La plupart des phénomènes dans les systèmes biologiques sont beaucoup plus complexes qu'il n'y paraît. Ici, finalement, le contraire est vrai :un comportement apparemment complexe composé de très peu de modules fonctionnels biologiques différents", résume Petra Schwille les résultats.

Bien que le chemin vers les cellules produites synthétiquement soit long, la reconstitution des fonctions biologiques individuelles ajoute un élément supplémentaire à la panoplie d'outils biotechnologiques nécessaires pour atteindre cet objectif. Chaque étape du chemin vers la cellule synthétique améliore également la compréhension des processus dans les organismes existants. De cette façon, les « vésicules battantes » aident les chercheurs à étudier les principes fondamentaux de la vie.