Des chercheurs de la UCLA Samueli School of Engineering et du L'Université de Rome Tor Vergata en Italie a développé des gènes synthétiques qui fonctionnent comme les gènes des cellules vivantes.
Les gènes artificiels peuvent construire des structures intracellulaires grâce à une séquence en cascade qui construit des structures auto-assemblées pièce par pièce. L'approche est similaire à la construction de meubles avec des unités modulaires, un peu comme celles que l'on trouve chez IKEA. En utilisant les mêmes pièces, on peut construire beaucoup de choses différentes et il est facile de démonter l'ensemble et de reconstruire les pièces pour autre chose. La découverte ouvre la voie à l’utilisation d’une suite de blocs de construction simples qui peuvent être programmés pour fabriquer des matériaux biomoléculaires complexes, tels que des tubes à l’échelle nanométrique à partir de tuiles d’ADN. Les mêmes composants peuvent également être programmés pour diviser la conception en différents matériaux.
L'étude de recherche a été récemment publiée dans Communications naturelles et dirigé par Elisa Franco, professeur de génie mécanique et aérospatial et de bio-ingénierie à UCLA Samueli. Daniela Sorrentino, chercheuse postdoctorale au laboratoire Dynamic Nucleic Acid Systems de Franco, est la première auteure de l'étude.
Nos travaux suggèrent un moyen d'augmenter la complexité des matériaux biomoléculaires en tirant parti du timing des instructions moléculaires pour l'auto-assemblage, plutôt qu'en augmentant le nombre de molécules portant ces instructions. Cela souligne la possibilité passionnante de générer des matériaux distincts qui peuvent spontanément « se développer » à partir du même ensemble fini de pièces en recâblant simplement les éléments qui contrôlent l’ordre temporel de l’assemblage. »
Elisa Franco, professeur de génie mécanique et aérospatial et de bio-ingénierie, UCLA Samueli
Les organismes complexes se développent à partir d’une seule cellule par des événements séquentiels de division et de différenciation. Ces processus impliquent de nombreuses biomolécules coordonnées par des cascades de gènes qui guident le moment et le lieu de l'activation des gènes. Lorsqu’un signal moléculaire est reçu, il déclenche l’assemblage d’une série de gènes dans un ordre spécifique, conduisant à une réponse biologique particulière. Un exemple bien connu en biologie est la cascade de gènes qui contrôle la formation de segments corporels chez les mouches des fruits. Dans ce processus, les gènes sont parfaitement synchronisés pour déclencher la formation de segments corporels spécifiques dans le bon ordre.
« Nous avons eu l'idée de recréer en laboratoire des cascades de gènes similaires qui, en fonction du moment de l'activation du gène, pourraient induire la formation ou le désassemblage de matériaux synthétiques », a déclaré le co-auteur Franceso Ricci, professeur de sciences chimiques à l'Université de Rome Tor Vergata.
Dans leur étude, les chercheurs ont utilisé des éléments constitutifs de tuiles d’ADN formées de quelques brins d’ADN synthétique. Ils ont ensuite créé une solution contenant des millions de ces tuiles, qui interagissaient les unes avec les autres pour former des structures tubulaires à l’échelle micrométrique. Les structures ne se forment qu’en présence d’une molécule d’ARN spécifique qui déclenche la formation. Une molécule déclencheur d’ARN différente peut également induire le désassemblage des mêmes structures.
Ensuite, ils ont programmé différents gènes synthétiques qui produisent les déclencheurs d’ARN à des moments précis afin que la formation et la dissolution des structures d’ADN puissent être chronométrées avec précision.
En connectant ces gènes entre eux, ils ont créé une cascade génétique synthétique, similaire à celle d’une mouche des fruits, qui peut contrôler non seulement le moment où un certain type de structures d’ADN se forme ou se dissout, mais également ses propriétés de composition spécifiques à un moment donné.
« Notre approche ne se limite pas aux structures de l'ADN, elle peut être étendue à d'autres matériaux et systèmes qui reposent sur la synchronisation des signaux biochimiques », a déclaré Sorrentino. « En coordonnant ces signaux, nous pouvons attribuer différentes fonctions aux mêmes composants, créant ainsi des matériaux qui évoluent spontanément à partir des mêmes pièces. Cela ouvre la voie à des avancées passionnantes en biologie synthétique et ouvre la voie à de nouvelles applications en médecine et en biotechnologie. »
La recherche a été soutenue par l'Office of Science du Département américain de l'énergie, la National Science Foundation des États-Unis, le Conseil européen de la recherche, l'Association italienne pour la recherche sur le cancer, le ministère italien de l'Université et de la Recherche et le plan national italien de reprise et de résilience – ; qui est financé par le plan de relance de l'Union européenne NextGenerationEU. Sorrentino est titulaire d'une bourse soutenue par l'Association italienne pour la recherche sur le cancer.
Simona Ranallo, chercheuse à l'Université de Rome Tor Vergata, est également l'auteur de l'étude.
