L'intérieur d'une cellule vivante est un endroit bondé, avec des protéines et d'autres macromolécules emballées étroitement ensemble. Une équipe de scientifiques de l'Université Carnegie Mellon a approximé cet encombrement moléculaire dans un système cellulaire artificiel et a découvert que les espaces restreints facilitent le processus d'expression des gènes, surtout lorsque les autres conditions sont loin d'être idéales.
Comme le rapportent les chercheurs dans une publication en ligne anticipée de la revue Nature Nanotechnologie , ces résultats peuvent aider à expliquer comment les cellules se sont adaptées au phénomène d'encombrement moléculaire, qui a été préservé par l'évolution. Et cette compréhension peut guider les biologistes synthétiques lorsqu'ils développent des cellules artificielles qui pourraient un jour être utilisées pour l'administration de médicaments, production de biocarburants et biocapteurs.
"Ce sont des petits pas que nous faisons pour apprendre à fabriquer des cellules artificielles, " dit Cheemeng Tan, un boursier postdoctoral Lane et un boursier Branco-Weiss au Lane Center for Computational Biology, qui a dirigé l'étude. La plupart des études sur les systèmes biologiques synthétiques utilisent aujourd'hui la chimie en solution, qui n'implique pas d'encombrement moléculaire. Les résultats de l'étude CMU et les leçons de l'évolution suggèrent que les bio-ingénieurs devront créer un encombrement dans les cellules artificielles si les circuits génétiques synthétiques doivent fonctionner comme ils le feraient dans des cellules réelles.
L'équipe de recherche, qui comprenait Russell Schwartz, professeur de sciences biologiques; Philippe LeDuc, professeur de génie mécanique et de sciences biologiques; Marcel Bruchez, professeur de chimie; et Saumya Saurabh, un doctorat étudiant en chimie, développé leur système cellulaire artificiel en utilisant des composants moléculaires du bactériophage T7, un virus qui infecte les bactéries qui est souvent utilisé comme modèle en biologie synthétique.
Pour imiter l'environnement intracellulaire surpeuplé, les chercheurs ont utilisé diverses quantités de polymères inertes pour évaluer les effets de différents niveaux de densité.
La foule dans une cellule n'est pas si différente d'une foule de gens, dit Tan. Si seulement quelques personnes sont dans une pièce, c'est facile pour les gens de se mêler, ou même s'isoler. Mais dans une salle bondée où il est difficile de se déplacer, les individus auront souvent tendance à rester proches les uns des autres pendant de longues périodes. La même chose se produit dans une cellule. Si l'espace intracellulaire est encombré, la liaison entre les molécules augmente.
Notamment, les chercheurs ont découvert que les environnements denses rendaient également la transcription des gènes moins sensible aux changements environnementaux. Lorsque les chercheurs ont modifié les concentrations de magnésium, l'ammonium et la spermidine – des substances chimiques qui modulent la stabilité et la liaison des macromolécules – ils ont trouvé des perturbations plus importantes de l'expression des gènes dans les environnements à faible densité que dans les environnements à haute densité.
"Les systèmes cellulaires artificiels ont un potentiel énorme pour des applications dans l'administration de médicaments, bioremédiation et informatique cellulaire, " Tan a déclaré. "Nos résultats soulignent comment les scientifiques pourraient exploiter les mécanismes de fonctionnement des cellules naturelles à leur avantage pour contrôler ces systèmes cellulaires synthétiques, ainsi que dans les systèmes hybrides qui combinent des matériaux synthétiques et des cellules naturelles."
