La biologie synthétique peut aider à créer un embryon complexe

Richard Feynman, l’un des physiciens les plus respectés du XXe siècle, a dit « Ce que je ne peux pas créer, je ne le comprends pas ». Sans surprise, de nombreux physiciens et mathématiciens ont observé des processus biologiques fondamentaux dans le but d’identifier précisément les ingrédients minimaux qui pourraient les générer. Les modèles de la nature observés par Alan Turing en sont un exemple.

Le brillant mathématicien anglais a démontré en 1952 qu’il était possible d’expliquer comment un tissu complètement homogène pouvait être utilisé pour créer un embryon complexe, et il l’a fait en utilisant l’un des modèles mathématiques les plus simples et les plus élégants jamais écrits.

L’un des résultats de ces modèles est que la symétrie représentée par une cellule ou un tissu peut « se rompre » dans un ensemble de conditions. Cependant, Turing n’a pas été en mesure de tester ses idées, et il a fallu plus de 70 ans avant qu’une percée dans la technique de la biologie puisse les évaluer de manière décisive. Le rêve de Turing peut-il devenir réalité grâce à la proposition de Feynman? Le génie génétique l’a prouvé.

Désormais, une équipe de recherche de l’Institut de biologie évolutive (BIE), un centre conjoint de l’UPF et du Conseil national espagnol de la recherche (CSIC), a développé un nouveau type de modèle et sa mise en œuvre utilisant la biologie synthétique qui permet de reproduire la rupture de symétrie observée. dans des embryons avec le minimum d’ingrédients possible.

L’équipe de recherche a réussi à mettre en œuvre via la biologie synthétique (en introduisant des parties de gènes d’autres espèces dans la bactérie E. coli) un mécanisme pour générer des modèles spatiaux observés chez des animaux plus complexes, tels que Drosophila melanogaster (mouche des fruits) ou l’homme. Dans l’étude, l’équipe a observé que les souches d’E. Coli modifiées, qui poussent normalement selon des motifs circulaires (symétriques), agissent comme sous la forme d’une fleur avec des pétales à intervalles réguliers, comme l’avait prédit Turing.

«Nous voulions créer une rupture de symétrie qui n’est jamais vue dans les colonies d’E. Coli, mais qui est vue dans les modèles d’animaux, puis découvrir quels sont les ingrédients essentiels nécessaires pour générer ces modèles», explique Salva Duran-Nebreda, qui cette recherche pour son doctorat au laboratoire Systèmes complexes et est actuellement chercheur postdoctoral au laboratoire Évolution de la technologie du BIE.

À l’aide de la nouvelle plateforme synthétique, l’équipe de recherche a pu identifier les paramètres qui modulent l’émergence de modèles spatiaux chez E. coli. «Nous avons vu qu’en modulant trois ingrédients, nous pouvons induire une rupture de symétrie. En substance, nous avons altéré la division cellulaire, l’adhésion entre les cellules et la capacité de communication à longue distance (quorum sensing), c’est-à-dire percevoir lorsqu’il y a une décision collective « , Commente Duran-Nebreda.

Les observations faites dans le modèle E. coli pourraient être appliquées à des modèles animaux plus complexes ou à des principes de conception de colonies d’insectes.

De la même manière que les organoïdes ou les organes miniatures peuvent nous aider à développer des thérapies sans avoir à recourir à des modèles animaux, ce système synthétique ouvre la voie à la compréhension d’un phénomène aussi universel que le développement embryonnaire dans un système in vitro beaucoup plus simple. « 

Ricard Solé, chercheur ICREA, groupe Systèmes complexes, Institut de biologie évolutive

Le modèle développé dans cette étude, le premier du genre, pourrait être la clé pour comprendre certains événements du développement embryonnaire. «Nous devons penser ce système synthétique comme une plate-forme pour apprendre à concevoir différents mécanismes biologiques fondamentaux qui génèrent des structures, comme le passage d’un zygote à la formation d’un organisme complet. De plus, une telle connaissance à la frontière entre les processus mécaniques et biologiques , pourrait être très utile pour comprendre les troubles du développement », conclut Duran-Nebreda.