Dans une étude récente publiée dans iScienceles chercheurs ont décrit les pare-feux écologiques (EFW) pour contenir des microbes synthétiques.
Sommaire
Arrière plan
Les scientifiques conçoivent et modifient des systèmes vivants depuis l’avènement de la biologie synthétique. Cette discipline émergente a été essentielle pour fournir des outils permettant d’étudier la nature et de développer des applications biomédicales. Son succès est mis en évidence par l’élargissement de son domaine d’application à des problèmes de niveau supérieur, notamment la conception d’écosystèmes synthétiques, la dynamique non linéaire dans les cellules, la bio-informatique au-delà des circuits simples ou les conceptions multicellulaires.
Dernièrement, il a été suggéré que la biologie synthétique pourrait aider à protéger et à restaurer les écosystèmes existants en danger de transition(s) catastrophique(s). L’accélération rapide de l’impact anthropique sur la biosphère a suscité un nouveau débat autour de la nécessité d’utiliser la biologie synthétique comme approche émergente de ces problèmes.
L’une des préoccupations importantes concernant les microbes artificiels déployés est les implications potentielles sur les résultats évolutifs inconnus et les écosystèmes locaux. Le bioconfinement est une autre préoccupation considérable en biologie synthétique. La plupart des stratégies proposées traitent d’outils qui minimisent les interactions des souches synthétiques avec les formes de vie qui les entourent.
Concrètement, ces scénarios incluent des micro-organismes conçus pour dégrader le(s) substrat(s) toxique(s) et modifier les microbiomes intestinaux ou végétaux. Néanmoins, un pare-feu approprié pourrait fournir un (bio)confinement prévisible. Dans l’étude actuelle, les chercheurs ont décrit cinq EFW pour construire de nouvelles communautés synthétiques dans des conditions contrôlées.
Pare-feu consommateur de ressources synthétiques
Cette approche systémique des EFW traite de grandes quantités de xénobiotiques anthropiques tels que les déversements de plastique ou d’huile et les défis associés à leur élimination en toute sécurité. En utilisant l’approche de l’écologie des systèmes, les auteurs ont défini les conditions de sécurité et d’efficacité. Le but de l’EFW est de stabiliser une communauté microbienne synthétique qui dégraderait un substrat donné introduit dans le système à une vitesse donnée.
Lorsque le substrat se désintègre, la souche synthétique devrait disparaître. Cet EFW est conçu comme un motif «fonction et matrice», ce qui signifie que la souche (synthétique) introduite s’éteindrait une fois la fonction exécutée.
Pare-feu mutualiste synthétique
Dans les écosystèmes semi-arides et arides, l’objectif (d’EFW) serait une conception synthétique qui peut améliorer les conditions de la communauté conduisant à un état sain tout en préservant la diversité. Ceci pourrait être réalisé en utilisant des cyanobactéries d’une communauté résidente et en les concevant pour synthétiser une molécule/un composé pour améliorer l’humidité du sol.
Ainsi, l’amélioration de la qualité du sol permettrait une végétation plus stable, ce qui contribuerait à améliorer la qualité du sol où vit la souche synthétique. Il est important de noter qu’aucun ne remplacerait l’autre car l’équilibre de deux composants dépendants positifs est requis pour la coopération.
Pare-feu parasite synthétique
Dans ce cas, une souche synthétique remplit une fonction et profite de la communauté résidente en exploitant ses ressources et en agissant comme un inhibiteur. Un exemple serait la conception d’un microbe pour fixer le dioxyde de carbone à l’aide de béton provenant d’infrastructures civiles, qui abrite de multiples espèces de bactéries dans ses fissures.
La souche synthétique pourrait bénéficier de l’activité métabolique de la communauté résidente (bactérienne) utilisant le béton comme substrat. Dans le même temps, la souche synthétique doit éviter l’extinction, ce qui est réalisable en inhibant/contraignant la communauté résidente avec des antibiotiques bactériostatiques.
Pare-feu de stigmergie synthétique
Cet EFW traite du phénomène de stigmergie, où la rétroaction dans une population qui se traduit par un échafaudage matériel (par exemple, un nid d’insectes) agit sur les autres en modifiant leur comportement. La pertinence potentielle de la stigmergie dans les colonies microbiennes a été reconnue ces dernières années. Le comportement multicellulaire des bactéries pourrait être utilisé notamment dans le processus de construction de niche basé sur la formation de biofilms.
On estime que la plupart des bactéries vivent dans des biofilms, ce qui pourrait être un moyen optimal de coopérer dans des environnements tels que les rivières ou les surfaces océaniques. Cet EFW pourrait être applicable à l’assainissement de l’environnement. Le microbe synthétique pourrait aider à éliminer les substances potentiellement dangereuses (médicaments ou métaux lourds) et à les stocker en toute sécurité dans la matrice extracellulaire du biofilm.
Pare-feu de coopération indirecte
Les déversements toxiques sont préjudiciables aux cours d’eau côtiers et aux masses d’eau, avec de multiples effets (négatifs). Ils détruisent la faune et les habitats, faisant des ravages sur les économies locales à mesure que les ressources (poissons) sont contaminées. Cet EFW comprend trois composants 1) communauté résidente (écosystème contaminé), 2) souche synthétique et 3) toxine.
La souche synthétique ne serait pas affectée par la toxine, à savoir les bactéries qui utilisent la toxine comme source de carbone. La souche introduite élimine la toxine dans l’écosystème à un rythme donné. Étant donné que le microbe synthétique a un effet inhibiteur sur la toxine, l’impact global de la souche synthétique sur la communauté résidente serait positif.
C’est ce qu’on appelle le mutualisme indirect ; c’est-à-dire que l’échange net entre la communauté résidente et la souche synthétique est coopératif. Au fur et à mesure que la toxine se décompose, la souche introduite diminue mais est retenue à des niveaux minimaux. De cette façon, l’EFW favorise la diversité tout en maintenant la souche synthétique même avec de faibles niveaux de toxine.
conclusion
En résumé, les chercheurs ont décrit (cinq) moyens de confinement des microbes modifiés. Bien que l’approche de contrôle habituelle soit basée sur une conception de circuit génique descendante, avec une biosécurité conçue au niveau cellulaire, l’équipe a fourni une source de contrôle ascendante. De plus, les EFW présentés ici devraient être utilisés pour tester des stratégies de terraformation dans un cadre de microcosme ou de mésocosme.
