La science moderne a progressé au point où les scientifiques peuvent concevoir des systèmes vivants ou modifier des systèmes existants, repoussant ou brisant ainsi les limites de la nature, dans certains cas, pour atteindre des objectifs spécifiques.
Autrement connu sous le nom de biologie synthétique, ce domaine scientifique cherche à produire de nouvelles conceptions fonctionnelles basées sur des cellules vivantes ou des microbes subcellulaires. Malgré ses promesses, il existe des dangers potentiels entourant l’impact de la biologie synthétique sur la dynamique communautaire qui doivent être explorés.
Étude: Pare-feu écologiques pour la biologie synthétique. Crédit d’image : Kotkoa/Shutterstock.com
Un nouveau iScience L’étude discute de l’utilisation de pare-feux écologiques pour prédire et contrôler les communautés de microbiote dans lesquelles des organismes synthétiques sont libérés.
Sommaire
Introduction
La recherche en biologie synthétique a conduit au développement d’outils capables d’examiner les processus naturels et de nouvelles applications biomédicales. Pris ensemble, ces progrès ont été exploités pour concevoir des écosystèmes synthétiques, des systèmes bioinformatiques et des systèmes multicellulaires.
La biologie des systèmes est intrinsèque aux progrès réalisés dans le domaine de la biologie synthétique. En fait, au cours de la dernière décennie, un type de biologie des systèmes connu sous le nom d’écologie communautaire a été une source d’inspiration pour plusieurs nouvelles idées dans le domaine de la biologie synthétique, dans laquelle les concepts de dynamique des populations ont été examinés pour le microbiote.
De plus, les chercheurs s’intéressent de plus en plus au développement de microbes artificiels capables de résister à diverses conditions causées par le changement climatique. Certains exemples incluent des bactéries spécifiques dégradant les déchets, des cyanobactéries améliorant le sol ou des microbiomes végétaux.
Les humains ont causé un impact significatif sur le monde vivant en polluant les océans et les plans d’eau douce, tout en réduisant l’élimination du dioxyde de carbone et en faisant progresser la dégradation de la biodiversité. Ainsi, le développement de ces types de micro-organismes pourrait aider à conserver ou à restaurer les écosystèmes, en particulier ceux à risque d’événements catastrophiques liés au climat.
Malgré leur promesse, il reste un besoin urgent de déterminer l’effet de ces conceptions synthétiques sur les communautés cellulaires. Notamment, les études antérieures ont été limitées par des moratoires et des cadres de modélisation qui ont été largement absents.
Des études antérieures ont rapporté l’utilisation réussie de techniques basées sur l’inoculation microbienne ou l’introduction de micro-organismes dans les déchets urbains. Cependant, ces méthodes introduisent un certain nombre de micro-organismes simultanément, voire un microbiome entier, dans l’environnement, ce qui peut avoir des effets à long terme qui n’ont pas encore été explorés.
Stratégies de bioconfinement
Les stratégies de bioconfinement actuellement utilisées dans la biologie synthétique restent un défi, car la plupart de ces approches éliminent toute interaction entre les souches modifiées et leur environnement environnant. Le principe de fonctionnement de base de ces méthodes est de développer un « pare-feu » génétique qui fonctionne de manière prévisible et ressemble étroitement aux organismes vivants connus.
Par exemple, le développement d’un tel pare-feu pourrait impliquer la conception d’une nouvelle cellule. De plus, la modification séquentielle des codons dans les cellules bactériennes conçues pourrait les éloigner des souches parentales vers la cellule artificielle contrôlée par un code génétique non naturel.
Dans la présente étude, les chercheurs discutent du concept de terraformation en tant qu’approche pour résoudre le problème du confinement de la population dans le cadre de la biologie synthétique.
Le concept clé ici est que, idéalement à partir d’un membre de la communauté résidente, une souche synthétique peut être obtenue pour être réintroduite pour remplir une fonction tout en étant contrainte à une propagation limitée dans l’habitat donné..”
La recherche sur les écosystèmes et leurs points de basculement ou états alternatifs démontre que la bonne intervention peut transformer ou restaurer une communauté écologique dégradée en une communauté saine. Autrement dit, il existe certaines caractéristiques communes d’un écosystème, qui garantissent des états d’attracteur, qui permettent à l’écosystème d’entrer dans un ou plusieurs états d’équilibre possibles.
Le défi auquel ces chercheurs étaient confrontés était de modifier ou de concevoir des organismes qui pourraient interagir avec d’autres espèces de la communauté résidente, de sorte que l’état d’attracteur robuste résultant empêcherait la prolifération d’organismes synthétiques.
Des études antérieures sur l’écologie de l’invasion montrent que l’invasion par une nouvelle espèce est limitée par la structure de la communauté hôte qui empêche finalement la colonisation par le nouveau micro-organisme. La faiblesse des communautés d’accueil ou l’extinction des grands prédateurs sont des exemples de situations dans lesquelles l’envahisseur s’installe facilement. Dans certains cas, l’organisme envahisseur facilite l’établissement de la diversité, aidant ainsi d’autres organismes à survivre.
La stabilité de l’attracteur est déterminée par la façon dont les différents organismes de l’écosystème interagissent les uns avec les autres. Avec un seul attracteur stable, un écosystème pourrait être conçu où plusieurs espèces, y compris la souche synthétique, coexistent indéfiniment. En d’autres termes, les caractéristiques conçues de l’organisme synthétique pourraient se traduire par un écosystème dynamique et diversifié.
Dans cette situation, le pare-feu écologique limiterait avec succès la prolifération des espèces synthétiques introduites, tout en les laissant capables de proliférer en réponse à une augmentation du problème environnemental, par exemple une marée noire.
Pare-feux écologiques potentiels
Cinq pare-feu écologiques possibles sont discutés dans le présent article, chacun ayant été conçu sur la base de différents mécanismes, notamment la relation dynamique entre les ressources et les consommateurs, le mutualisme, le parasitisme, la coopération indirecte et l’écologie de niche.
Chaque pare-feu représente un réseau spécifique d’interactions entre les espèces qui sont conçues pour fonctionner au sein d’un plus grand réseau ou d’une communauté naturelle qui est responsable d’un rôle fonctionnel spécifique. Les scientifiques ont choisi un ensemble de modèles qui utilise une seule espèce dans une seule dimension pour simplifier le problème théorique et son résultat.
Aucune construction génique spécifique n’a été proposée dans la présente étude. Au lieu de cela, les chercheurs se sont penchés sur des exemples où les traits fonctionnels de base étaient assumés par l’organisme suite à son introduction dans un environnement donné. Dans chaque type, l’organisme synthétique coexiste avec la communauté existante, bien qu’il puisse parfois se réduire à un niveau très bas.
Pare-feu consommateur de ressources
Dans l’exemple de la dynamique ressource-consommateur, l’objectif est de développer des micro-organismes synthétiques capables de dégrader efficacement certains xénobiotiques anthropiques tels que le plastique, les produits chimiques récalcitrants ou les marées noires. Au fur et à mesure que le micro-organisme devient une partie de sa communauté et que les niveaux de substrat anthropique sont réduits en dessous de certaines limites prédéterminées, la souche synthétique devrait disparaître.
Le modèle utilisé dans la présente étude a fait des prédictions qui ressemblent avec précision aux découvertes récentes sur l’impact des applications actuelles de la biologie synthétique. Il s’agit notamment de l’augmentation exponentielle des débris de plastique déversés dans l’océan qui n’a pas réussi à augmenter les concentrations de plastique marin échantillonné. Simultanément, un nombre croissant de bactéries mangeuses de plastique sont détectées à travers le monde.
Pare-feu mutualiste synthétique
Dans le modèle de pare-feu mutualiste, les chercheurs ont examiné comment les cyanobactéries pourraient être conçues pour améliorer l’humidité du sol dans les zones arides. Une telle approche faciliterait la croissance d’un plus grand nombre de plantes dans le sol, tout en améliorant la qualité du sol et en préservant la diversité microbienne dans le sol.
Le comportement du pare-feu mutualiste synthétique est idéal, car il améliore les niveaux d’humidité dans l’ensemble de la communauté, améliorant simultanément les capacités de production du sol. L’amélioration des niveaux de sol profitera par la suite aux cyanobactéries synthétiques, assurant ainsi un résultat d’attracteur de coexistence.
Pare-feu de coopération indirecte
Dans l’exemple du pare-feu de coopération indirecte, les organismes synthétiques qui dérivent le carbone des toxines dans un déversement de pétrole se soutiennent mutuellement et soutiennent la communauté, tout en aidant à nettoyer les toxines. Au fur et à mesure que les niveaux d’huile diminuent avec l’augmentation de l’élimination, la souche synthétique devient moins abondante mais ne s’éteint pas.
Conséquences
Les scientifiques ont démontré la faisabilité d’utiliser des approches écologiques conçues pour empêcher la prolifération de souches microbiennes synthétiques. Ici, ils ont considéré différents types de réseaux écologiques pour établir divers concepts de pare-feu qui permettent aux écosystèmes de maintenir leur niveau de diversité requis tout en restant fonctionnels comme souhaité.
Les pare-feux écologiques aideront à aborder les futures stratégies de bioremédiation.”
D’autres études pourraient aider à intégrer des pare-feux génétiques dans cette approche plus large au niveau des systèmes pour améliorer le niveau de bioconfinement. L’introduction d’un laps de temps limité est une autre intervention potentiellement utile.
Des paramètres stochastiques seraient également utiles pour construire des modèles plus détaillés, nécessitant une étude approfondie des interactions entre les espèces et les facteurs abiotiques.
Surtout, ces EFW devraient être utilisés pour tester les futures stratégies de terraformation dans un cadre de microcosme/mésocosme, où la présence et la fiabilité des états d’attracteurs précédents pourraient être étudiées dans des conditions réalistes..”
