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Génome reproducteur du laboratoire :


Le domaine de la biologie synthétique n’observe et ne décrit pas seulement les processus de la vie, mais les imite également. Une caractéristique clé de la vie est la capacité de reproduction, ce qui signifie le maintien d’un système chimique. Des scientifiques de l’Institut Max Planck de biochimie de Martinsried ont créé un système qui est capable de régénérer des parties de son propre bloc de construction d’ADN et de protéines.

Dans le domaine de la biologie synthétique, les chercheurs étudient les processus dits «ascendants», ce qui signifie la génération de systèmes imitant la vie à partir de blocs de construction inanimés. L’une des caractéristiques les plus fondamentales de tout organisme vivant est la capacité de se conserver et de se reproduire en tant qu’entités distinctes. Cependant, l’approche «ascendante» artificielle pour créer un système capable de se reproduire est un grand défi expérimental. Pour la première fois, les scientifiques ont réussi à surmonter cet obstacle et à synthétiser un tel système.

Hannes Mutschler, chef du groupe de recherche “Systèmes biomimétiques” à l’Institut Max Planck de biochimie, et son équipe se consacrent à imiter la réplication des génomes et la synthèse des protéines avec une approche “ascendante”. Les deux processus sont fondamentaux pour l’auto-préservation et la reproduction des systèmes biologiques. Les chercheurs ont maintenant réussi à produire un système in vitro, dans lequel les deux processus pourraient avoir lieu simultanément. “Notre système est capable de régénérer lui-même une proportion importante de ses composants moléculaires”, explique Mutschler.

Génome reproducteur du laboratoire :

Pour démarrer ce processus, les chercheurs avaient besoin d’un manuel de construction ainsi que de diverses “machines” moléculaires et de nutriments. Traduit en termes biologiques, cela signifie que le manuel de construction est l’ADN, qui contient les informations pour produire des protéines. Les protéines sont souvent appelées “machines moléculaires” car elles agissent souvent comme des catalyseurs, qui accélèrent les réactions biochimiques des organismes. Les éléments de base de l’ADN sont les soi-disant nucléotides. Les protéines sont constituées d’acides aminés.

Structure modulaire du manuel de construction

Plus précisément, les chercheurs ont optimisé un système d’expression in vitro qui synthétise des protéines sur la base d’un schéma d’ADN. Grâce à plusieurs améliorations, le système d’expression in vitro est maintenant capable de synthétiser des protéines, appelées ADN polymérases, de manière très efficace. Ces ADN polymérases répliquent ensuite l’ADN à l’aide de nucléotides. Kai Libicher, premier auteur de l’étude, explique : “Contrairement aux études précédentes, notre système est capable de lire et de copier des génomes d’ADN relativement longs.

Les scientifiques ont assemblé les génomes artificiels de jusqu’à onze morceaux d’ADN en forme d’anneau. Cette structure modulaire leur permet d’insérer ou de retirer facilement certains segments d’ADN. Le plus grand génome modulaire reproduit par les chercheurs de l’étude se compose de plus de 116 000 paires de bases, atteignant la longueur du génome de cellules très simplement.

Régénération des protéines

Outre le codage des polymérases qui sont importantes pour la réplication de l’ADN, le génome artificiel contient des plans pour d’autres protéines, tels que 30 facteurs de traduction provenant de la bactérie Escherischia coli. Les facteurs de traduction sont importants pour la traduction du schéma d’ADN dans les protéines respectives. Ainsi, ils sont essentiels pour les systèmes autoréplicatifs, qui imitent les processus biochimiques. Afin de montrer que le nouveau système d’expression in vitro est non seulement capable de reproduire l’ADN, mais aussi de produire ses propres facteurs de traduction, les chercheurs ont utilisé la spectrométrie de masse. Avec cette méthode analytique, ils ont déterminé la quantité de protéines produites par le système.

Étonnamment, certains des facteurs de traduction étaient même présents en plus grandes quantités après la réaction qu’auparavant. Selon les chercheurs, il s’agit d’une étape importante vers un système d’autoréplication continue qui imite les processus biologiques.

À l’avenir, les scientifiques veulent étendre le génome artificiel avec des segments d’ADN supplémentaires. En coopération avec des collègues du réseau de recherche MaxSynBio, ils souhaitent produire un système enveloppé capable de rester viable en ajoutant des nutriments et en éliminant les déchets. Une telle cellule minimale pourrait alors être utilisée, par exemple, en biotechnologie comme machine de production sur mesure de substances naturelles ou comme plate-forme pour la construction de systèmes encore plus complexes et réalistes.