OGM - 29 mars 2014 - Un chromosome artificiel fabriqué en laboratoire

Un chromosome artificiel fabriqué en laboratoire

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Biologie vendredi 28 mars 2014

Pascaline Minet

La levure de bière Saccharomyces cerevisiae (ici vue au microscope) est utilisée par l’être humain depuis l’Antiquité pour fabriquer du pain et des boissons fermentées (DR)

Des chercheurs ont synthétisé une des molécules qui portent l’information génétique chez la levure de bière. Une manipulation inédite chez ce type d’organisme, appelé eucaryote, dont le génome est situé à l’intérieur d’un noyau

C’est une nouvelle étape pour la biologie de synthèse, cette approche qui consiste à construire de toutes pièces certains éléments du vivant. Ce vendredi dans la revue Science, une équipe internationale de scientifiques explique comment elle a synthétisé en laboratoire un chromosome, cette structure constituée d’ADN qui sert de support à l’information génétique. Et il ne s’agit pas de n’importe quel chromosome, mais d’un de ceux de la levure de bière, Saccharomyces cerevisiae de son nom latin. Or cet organisme unicellulaire fait partie – tout comme nous – du groupe des eucaryotes, qui regroupe les êtres vivants dont l’ADN se trouve dans un compartiment spécial de la cellule, le noyau. Jusqu’à présent, seuls des génomes de virus ou de bactéries, dont l’ADN est libre dans la cellule, avaient été reconstitués en laboratoire.

Ce n’est pas un hasard si les scientifiques se sont intéressés à S. cerevisiae. « Cet unicellulaire est utilisé depuis l’Antiquité par les êtres humains, pour fabriquer du pain et des boissons fermentées », explique Jef Boeke, chercheur à l’Université John Hopkins de Baltimore (Etats-Unis) et l’un des auteurs de l’étude. De nouveaux usages se sont développés depuis, puisque des levures génétiquement modifiées sont désormais couramment employées pour fabriquer des produits d’intérêt tels que des médicaments ou de l’éthanol, par exemple. Parce qu’elle est utile, la levure est aussi un des organismes les plus étudiés ; il s’agit d’ailleurs du premier eucaryote dont le génome fut séquencé, en 1996.

Pour leur étude, les biologistes se sont penchés sur un des 16 chromosomes de S. cerevisiae, qui correspond à environ 2,5% du bagage génétique total de l’unicellulaire. « Contrairement à l’approche la plus couramment employée, nous n’avons pas essayé de créer une copie exacte de ce chromosome, mais plutôt de le transformer afin qu’il corresponde mieux à nos attentes », raconte la Française Héloïse Muller, qui a d’abord travaillé dans l’équipe de Jef Boeke avant de continuer ses travaux à l’Institut Pasteur à Paris. Une des études les plus médiatiques de la biologie de synthèse, publiée en 2010 par l’Américain Craig Venter, portait, elle, sur la fabrication d’une réplique quasi conforme du génome de la bactérie Mycoplasma mycoides.

Comment les chercheurs ont-ils conçu leur chromosome synthétique ? « Tout d’abord, nous voulions qu’il soit propre et en ordre, sans excès de matériel », explique Jef Boeke au Temps. Le chercheur et ses collaborateurs ont donc supprimé certaines parties de la séquence génétique, qui leur semblaient inutiles ou qui étaient dupliquées. Ils ont ensuite construit le chromosome à partir de cette séquence simplifiée, en reliant entre eux des centaines de milliers de nucléotides, les unités de base de l’ADN, à l’aide d’instruments de laboratoire. Plus innovant encore, ils ont inséré des marqueurs au niveau de certains gènes d’intérêt, afin de pouvoir y effectuer des modifications aléatoires et ainsi tester différentes combinaisons génétiques.

Dernière et incontournable étape de leur travail, les scientifiques ont vérifié que leur chromosome de synthèse était bien fonctionnel. Pour cela, ils ont étudié la croissance de colonies de levures dans lesquelles le chromosome d’origine était remplacé par du matériel génétique fabriqué en laboratoire. Résultat : les unicellulaires ont poussé sans problème avec leur ADN synthétique, tout en conservant leur aspect et caractéristiques traditionnels. « Nous avons été étonnés de découvrir à quel point le génome des levures est plastique ; elles peuvent apparemment endurer des milliers de modifications génétiques sans être affectées », relève Romain Koszul, de l’Institut Pasteur.

Bart Deplancke, spécialiste de la biologie de synthèse à l’EPF de Lausanne, qui n’a pas participé à ces travaux, est très impressionné par la démarche de ses collègues : « Reconstituer intégralement et de manière systématique un chromosome constitue un changement de paradigme par rapport aux approches développées jusqu’ici, qui consistaient plutôt à transformer le génome de manière ciblée. » Jef Boeke et ses collaborateurs ambitionnent désormais de synthétiser le reste du génome de la levure selon la même approche.

Plusieurs groupes de recherche internationaux regroupés au sein du projet « Synthetic Yeast 2.0 », ou Sc2.0, travaillent déjà sur les autres chromosomes. « Nous devrions finir la synthèse de l’ensemble des chromosomes d’ici à deux ans environ, estime Jef Boeke. Il faudra ensuite les combiner et les transférer dans une cellule, ce qui prendra encore au moins deux années supplémentaires, avant d’obtenir une levure entièrement synthétique. »

Pour les scientifiques impliqués dans le projet, l’objectif est avant tout de faire progresser les connaissances sur la génétique des eucaryotes. « Notre chromosome synthétique permet de tester toutes sortes d’hypothèses, notamment pour savoir quels sont les gènes qui sont simultanément indispensables à la levure », indique Romain Koszul. Les promoteurs du projet mettent aussi en avant des applications pratiques, comme la conception de levures permettant de ­fabriquer plus efficacement qu’aujourd’hui des médicaments ou autres molécules d’intérêt.

Reste que ce type d’organismes créés de la main de l’homme peut effrayer. Que se passerait-il, en particulier, si une telle levure artificielle se retrouvait dans la nature ? « Elle ne survivrait pas en dehors des conditions de laboratoire », rassure Héloïse Muller. « Le projet Sc2.0 a été développé en collaboration avec des éthiciens, il est strictement encadré et nous nous engageons à être transparents sur nos recherches », abonde Romain Koszul. De son côté, Bart Deplancke considère que, dès lors qu’elles sont réalisables, ces nouvelles modifications du génome seront de toute façon mises en œuvre. Il importe donc d’ores et déjà de réfléchir à leurs risques et bénéfices.