Les ingénieurs généticiens peuvent concevoir et assembler des circuits génétiques sophistiqués pour programmer des cellules avec de nouvelles fonctions, mais des molécules de signalisation importantes peuvent se diluer à mesure que ces cellules grandissent et se divisent, entraînant la perte de leurs nouvelles fonctions par les circuits génétiques synthétiques.
Xiaojun Tian, professeur agrégé à l'École d'ingénierie des systèmes biologiques et de santé, qui fait partie des écoles d'ingénierie Ira A. Fulton de l'Arizona State University, et son équipe ont découvert un moyen de protéger ces programmes génétiques fragiles en utilisant un principe emprunté directement à la nature.
Le projet s'appuie sur l'expertise interdisciplinaire en biologie synthétique, en modélisation et en ingénierie métabolique, fournie par David Nielsen, professeur de génie chimique à l'École d'ingénierie de la matière, des transports et de l'énergie, qui fait partie des écoles Fulton de l'ASU, et Wenwei Zheng, professeur agrégé de chimie à l'École des sciences appliquées et des arts, qui fait également partie des écoles Fulton de l'ASU.
Dans un nouvel article publié dans Celluleles chercheurs ont décrit une technique capable de stabiliser les circuits génétiques synthétiques en formant de petits compartiments ressemblant à des gouttelettes à l'intérieur des cellules grâce à un processus appelé séparation de phase liquide-liquide.
Ces gouttelettes microscopiques, appelées condensats transcriptionnels, agissent comme des zones de sécurité moléculaire autour des gènes clés, empêchant les modifications synthétiques d'être emportées par la marée de la croissance cellulaire.
« Lorsque nous essayons de programmer des cellules pour qu'elles effectuent des tâches utiles, telles que des diagnostics ou une production thérapeutique, les programmes génétiques échouent souvent parce que la croissance cellulaire dilue les molécules clés nécessaires à leur fonctionnement », explique Tian.
Nous avons relevé ce défi en exploitant la propre stratégie de séparation de phase de la cellule pour protéger les systèmes techniques. »
Xiaojun Tian, Université d’État de l’Arizona
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Les cellules utilisent la séparation de phases pour organiser leur environnement interne, créant ainsi des compartiments pour les réactions biochimiques essentielles sans utiliser de membranes. L'équipe de Tian a réalisé qu'en concevant des condensats similaires autour de gènes synthétiques, elle pouvait imiter cette organisation naturelle et maintenir la stabilité génétique à travers différentes générations de cellules.
« Nous avons découvert qu'en formant de minuscules gouttelettes appelées condensats transcriptionnels autour des gènes, nous pouvons protéger les programmes génétiques et les maintenir stables même pendant la croissance des cellules », explique Zheng. « C'est une solution physique simple qui évite la dilution et assure le fonctionnement fiable des circuits. »
Cette approche représente un changement majeur par rapport aux stratégies traditionnelles de la biologie synthétique, qui se sont largement concentrées sur la modification des séquences d’ADN ou des boucles de rétroaction régulatrices pour maintenir le fonctionnement des systèmes modifiés.
Au lieu de systèmes de contrôle plus complexes, l'équipe de Tian a introduit un principe de conception physique qui exploite l'organisation spatiale existante des molécules à l'intérieur des cellules.
Une nouvelle conception pour des cellules programmables et auto-stabilisantes
Alors que les cellules naturelles ont évolué pour utiliser les condensats comme système de protection intégré pour réguler l’activité des circuits génétiques, cette étude est parmi les premières à montrer comment elles peuvent être réutilisées pour stabiliser les programmes de synthèse.
« Les cellules utilisent déjà ces gouttelettes pour s'autoréguler », explique Tian. « Nous exploitons désormais la même stratégie pour la biologie synthétique. »
L’adoption de cette méthodologie pourrait aider les chercheurs à construire des systèmes biologiques plus fiables qui maintiennent des fonctions prévisibles et productives.
« Cela ouvre une nouvelle voie pour construire des systèmes vivants plus fiables, depuis les usines de cellules stables jusqu'aux futures applications médicales », explique Tian. « Notre stratégie peut devenir un nouveau principe de conception pour les chercheurs qui ont besoin que leurs cellules conçues fonctionnent de manière cohérente. »
Les images prises au microscope dans le cadre de l'étude montrent des amas lumineux et brillants de condensats transcriptionnels à l'intérieur des cellules, qui servent de preuve visuelle que des gouttelettes peuvent se former précisément là où cela est nécessaire pour stabiliser l'activité des gènes.
« C'est passionnant de voir comment ces gouttelettes peuvent être utilisées pour augmenter les rendements de bioproduction », déclare Nielsen. « Ce type de collaboration relie les connaissances biologiques fondamentales avec de véritables applications d'ingénierie métabolique. »
Assurer la stabilité grâce à la collaboration
Le groupe de Tian étudie déjà comment concevoir différents types de condensats pour contrôler différents gènes, les transformant ainsi en centres de contrôle programmables à l'intérieur des cellules.
« Nous voulons programmer différents condensats pour contrôler différents gènes, créant ainsi des cellules intelligentes capables de s'adapter et de fonctionner à long terme », explique-t-il. « Nous apprenons à concevoir avec la cellule, pas contre elle. »
Cette approche consistant à concevoir en accord avec la nature plutôt que de tenter de la contourner représente un tournant clé dans le domaine. La prochaine étape consiste à démontrer les applications de la technique pour des mises en œuvre plus diverses afin de déterminer la résilience et l'évolutivité, bien que les chercheurs ne voient pas de pénurie d'applications potentielles.
« Les chercheurs en biologie synthétique qui luttent contre les circuits instables y verront une nouvelle façon de rendre leurs systèmes plus fiables », explique Zheng. « Les ingénieurs en bioprocédés qui souhaitent un rendement constant peuvent également l'utiliser. Pour les biophysiciens comme moi, c'est passionnant de voir des principes physiques tels que la séparation de phases transformés en outils d'ingénierie pratiques. »
« Ce travail reflète une nouvelle direction dans la biologie synthétique », explique Tian. « En utilisant les principes d'organisation de la cellule, nous pouvons construire des systèmes à la fois puissants et intrinsèquement stables. »
