Les humains modernes existent depuis plus de 200 000 ans, et chaque nouvelle génération a commencé avec une seule forme de cellule et de changement, l'organisation en tissus, organes et membres. Avec de légères variations, le processus a répété des milliards de fois avec une fidélité remarquable au même plan corporel.
Les chercheurs de Tufts ont été en quête pour comprendre le code guidant les cellules individuelles pour créer l'architecture d'un être humain et créer une base pour la médecine régénérative. Au fur et à mesure qu'ils en apprennent davantage sur ce code, ils examinent également comment construire des structures vivantes à partir de cellules humaines qui ont des formes et des capacités totalement nouvelles sans manipulation génétique.
Pour déchiffrer ce code, ils ont pris une cellule du corps humain et lui ont permis de grandir dans un nouvel environnement pour observer comment les règles d'auto-organisation se déroulent.
En 2023, Michael Levin, professeur de biologie de Vannevar Bush, puis Ph.D. Le candidat Gizem Gumuskaya, AG23, a créé des anthrobots, de minuscules organismes multicellulaires cultivés à partir d'une seule cellule trachéale humaine et assemblé en nouvelles formes sphériques, oblongues, recouvertes de cils sur tout ou partie de leurs surfaces, capables de nager et de réparer les « blessures » dans des neurones plaqués.
Dans une nouvelle étude récemment publiée dans la revue Science avancéeGumuskaya et Levin révèlent ce qui se passe à l'intérieur des cellules Anthrobot car ils créent une nouvelle construction vivante. Les chercheurs ont découvert que les cellules humaines libérées de leurs obligations évolutives feront reculer l'horloge pour exprimer les deux gènes anciens, qui sont partagés avec nos prédécesseurs aussi loin que les organismes à cellules unicellulaires, et les gènes embryonnaires, y compris ceux qui guident la symétrie émergente, la superposition et le pliage des cellules et des tissus.
Avec une nouvelle mission pour créer de minuscules bots au lieu de l'homme entier, les cellules ont changé leur expression de plus de 9 000 gènes – la moitié du génome, sans interventions comme les circuits de biologie synthétique ou le génie génétique.
Au-delà de la création de nouvelles constructions synthétiques, comprendre comment les cellules humaines prennent de nouvelles formes peuvent éclairer les maladies du développement, telles que les malformations congénitales. Levin et son laboratoire veulent mieux comprendre les règles de l'auto-assemblage pour peut-être un jour aider à prévenir les malformations congénitales, à développer de nouveaux tissus et des organes pour la médecine régénérative et à créer de minuscules organismes fonctionnels comme les anthrobots des propres cellules du patient qui pourraient traiter la maladie et réparer les dommages sans déclencher des réponses du système immunitaire.
Matériel cellulaire et logiciel
« Les anthrobots sont fabriqués à partir de cellules de donneurs adultes, il était donc frappant de voir que ces cellules exprimaient également des gènes embryonnaires », a déclaré Gumuskaya.
Cela comprenait des gènes qui aident à faire de la transition embryonnaire du mésoderme-ectoderme – un processus qui prend des cellules de couche externe pour créer une couche intermédiaire qui finit par former des tissus et des organes intérieurs, ainsi que des gènes pour fabriquer des motifs antérieurs-postérieurs (tête vers la queue) et des schémas dorsaux (ventilées (arrière au ventre).
Ce qui n'est pas venu, ce sont les gènes embryonnaires impliqués dans la structuration gauche-droite – le type qui aide à créer une symétrie miroir avec les bras, les yeux, les jambes, les poumons et les reins de chaque côté d'un corps.
Les anthrobots sont principalement sphériques, donc à ce stade, il est difficile de dire sans étude plus étude du rôle que chacun de ces gènes embryonnaires a joué dans la construction de leur corps. «
Michael Levin, Vannevar Bush Professeur de biologie
Même si les chercheurs prennent un couteau aux anthrobots et ouvrent une blessure, ils présentent une sorte de mémoire de forme fonctionnelle qui leur permet de guérir leur forme d'origine.
Levin souligne que le modèle émergent de la formation du corps suggère que les gènes déterminent les récepteurs de fabrication de matériel de la cellule, les enzymes, les pompes ioniques et les caractéristiques émergentes de ce matériel, telles que les champs électriques, les signaux chimiques et les forces biomécaniques subies par les tissus prenant forme, sont les instructions logicielles qui guident le corps dans sa forme finale. Le logiciel, dit-il, peut changer en fonction des conditions de départ et de l'environnement, influençant à son tour le matériel.
Les chercheurs ont également suivi l'inversion de l'horloge biologique dans les anthrobots en fonction de l'accumulation de modifications et de dommages à l'ADN à mesure que nous vieillissons. L'ajout de groupes chimiques méthyl à l'ADN est une quantité mesurable qui contribue à notre «âge épigénétique», qui peut finir par être plus âgé ou plus jeune que notre âge chronologique. Un donneur de l'étude Anthrobot avait 21 ans, mais l'âge épigénétique de ses cellules était de 25 ans. Remarquablement, lorsque les cellules ont été utilisées pour cultiver des anthrobots, leur âge épigénétique est tombé à 18,7 ans. Les anthrobots étaient biologiquement 25% plus jeunes que leurs cellules d'origine.
« Le fait que ces robots deviennent biologiquement plus jeunes que les cellules adultes à partir desquelles ils sont fabriqués, suggère que le processus d'organisation en une nouvelle forme seul peut réinitialiser l'horloge de vieillissement cellulaire sans aucune reprogrammation génétique », explique Gumuskaya.
Levin a offert une hypothèse pour composer les horloges biologiques de retour. « Je pense que les collectifs de cellules sont fondamentalement des agents de traitement de l'information », a-t-il déclaré. « Les gènes de développement activés, les forces physiques de leur nouvelle forme et d'autres aspects de leur auto-construction peuvent être interprétées par les cellules comme une embryogenèse, qui entre en conflit avec leur âge réel. Ils finissent donc par inverser certains des marqueurs d'ADN du vieillissement pour être cohérents avec leur état actuel. J'appelle cela l'hypothèse de« l'âge ».
Quels sont exactement les signaux qui convaincent les cellules de faire reculer l'horloge épigénétique d'Anthrobot? Pourraient-ils être exploités pour rajeunir les tissus dans notre propre corps? « Nous y travaillons », explique Levin.
