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Les circuits de protéines programment de nouvelles fonctions dans les cellules et font un pas en avant vers des traitements de maladies plus précis.

Une équipe de chercheurs de Caltech a mis au point une boîte à outils biologique de protéines qui peuvent être assemblées de différentes manières, comme des Legos, pour programmer de nouveaux comportements dans les cellules. En tant que preuve de concept, ils ont conçu et construit un circuit qui peut être ajouté aux cellules humaines qui poussent en laboratoire, détecter si un gène cancérigène est activé dans les cellules et, si tel est le cas, provoquer l’auto-destruction des cellules.

La biologie de synthèse pour produire des protéines à la demande

Cette recherche a été réalisée dans le laboratoire de Michael Elowitz, professeur de biologie et de génie biologique et chercheur au Howard Hughes Medical Institute. Un article décrivant ce travail a été publié le 21 septembre de la revue Science.

La biologie de synthèse est un domaine scientifique émergeant qui combine la biologie et l’ingénierie, ou plus précisément c’est l’étude de la façon de concevoir des cellules pour leur donner de nouvelles fonctions, allant de tâches relativement simples comme le clignotement périodique, à des programmes plus complexes tels que la détection et la réponse aux états pathologiques.

Généralement, cela se fait en éditant le génome d’une cellule, produisant une modification permanente qui est transmise lorsque la cellule se divise. Selon Elowitz, l’un des principaux objectifs de la biologie de synthèse est de faire évoluer ce paradigme vers des solutions génétiquement moins permanentes.

Par exemple pour l’utilisation de bandes amovibles au lieu de super-colle; il suffirait de développer des « circuits » thérapeutiques pouvant être administrés, produire une fonction spécifique, puis disparaître une fois leur objectif a été atteint. Idéalement, ceux-ci seraient très ciblés; au lieu d’affecter toutes les cellules sans discernement, les circuits thérapeutiques pourraient détecter les problèmes au niveau cellulaire et les corriger en conséquence.

Un ensemble de composants protéiques 

Les chercheurs de Caltech, dirigés par un stagiaire post-doctoral, Xiaojing Gao, et une étudiante diplômée, Lucy Chong, ont mis au point un ensemble de composants protéiques pouvant être combinés pour produire des circuits capables de détecter leur environnement et d’agir en conséquence.

De la même manière que les transistors électroniques peuvent être connectés ensemble pour créer une variété de circuits, produisant des dispositifs allant d’ordinateurs miniatures, les composants de cette trousse à outils peuvent être combinés de différentes manières pour produire un large éventail de fonctions, créant finalement des systèmes qui diagnostiquent et répondent à des conditions cellulaires spécifiques.

Pour prouver le potentiel de tels circuits, l’équipe en a conçu un qui, dans un laboratoire, peut détecter si une cellule porte un gène cancéreux et, le cas échéant, la détruire, alors que pour une cellule « normale », ce circuit serait sans danger.

« La spécificité est l’un des plus grands défis de la biologie de synthèse: comment en arriver à produire une thérapie qui n’affectera qu’un certain type de cellule, et comment produire une réponse en modifiant cette cellule de manière très spécifique » explique Elowitz. « Ces tâches sont difficiles pour les médicaments, mais les circuits biologiques de synthèse pourraient devenir des outils très performants.

Les circuits protéiques peuvent être programmés pour détecter de nombreuses formes d’informations, les traiter et y répondre de différentes manières. En fait, la raison pour laquelle nos cellules fonctionnent aussi bien, est la puissance incroyable de nos circuits biologiques naturels. »

Une preuve de concept

« Ce travail est simplement une preuve de concept et nous n’avons pas encore démontré ces fonctions chez les animaux », explique Gao. « Cependant, ce cadre pourrait nous aider à passer à l’utilisation de thérapies cellulaires programmables en tant que médicaments. »

« Beaucoup de travail a été fait sur l’ingénierie des protéines, mais c’est la première fois que nous fabriquons des protéines qui régulent – ou interagissent les unes avec les autres de manière similaire – ce qui leur permet d’être combinées comme des blocs de construction. » Au final,  ces protéines pourront être utilisé dans plusieurs secteurs, comme l’agropharmaceutique, la chimie, l’agriculture et les produits énergétiques (les biopiles sont un exemple).

Le document s’intitule : « Programmable protein circuits in living cells.« . En plus de Gao, Chong et Elowitz, l’ancien technicien de laboratoire de Caltech Matthew Kim est coauteur de cette recherche. Le financement a été fourni par l’Agence des projets de recherche avancée de la Défense, la Fondation Gordon et Betty Moore, les Instituts nationaux de la santé et la Fondation Helen Hay Whitney.

Source : Caltech