Des bio-ingénieurs ont modélisé le fonctionnement de la forme de vie synthétique la plus basique au monde

La vie est compliquée. Même les plus petites cellules contiennent un assortiment époustouflant de réactions chimiques qui leur permettent de prospérer dans un paysage chaotique.

Si nous voulons savoir où tracer la ligne entre la vie et les bulles d’une vieille soupe organique périmée, cela aide à éliminer les extras non essentiels pour exposer les composants de base, puis à cartographier le fonctionnement de chacun d’eux.

C’est l’objectif des biochimistes depuis plusieurs années, qui ont réussi au fil des ans à concevoir des organismes étonnamment basiques qui tiennent à peine à la vie en laboratoire.

Maintenant, des scientifiques du J. Craig Venter Institute et de l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign aux États-Unis, et de la Technische Universität Dresden en Allemagne, ont franchi l’étape suivante et construit une simulation détaillée de leur dernier microbe minimaliste.

“Ce qui est nouveau ici, c’est que nous avons développé un modèle cinétique tridimensionnel entièrement dynamique d’une cellule minimale vivante qui imite ce qui se passe dans la cellule réelle”, explique Zaida Luthey-Schulten, chimiste de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign.

Luthey-Schulten a dirigé une équipe de chercheurs dans l’analyse des divers changements génétiques, métaboliques et structurels qui se produisent dans une culture répliquée de bactéries synthétiques appelée JCVI-syn3A.

Simuler le fonctionnement des organismes les plus élémentaires, tels que les espèces de Mycoplasma ou le microbe commun Escherichia coli, nécessite encore quelques facteurs mathématiques fudge pour modéliser largement les opérations de nombreux sous-systèmes. Tisser ensemble la gamme complète de descriptions détaillées de tout, des gènes aux nutriments, n’a tout simplement pas été possible, même pour ces bactéries relativement simples.

Au début des années 2000, des chercheurs de l’Institut J. Craig Venter ont retiré autant de gènes qu’ils le pouvaient de Mycoplasma mycoides, laissant une version qui était sur le point de survivre.

Cette forme de vie synthétique, appelée JCVI-syn1.0, a rapidement été remplacée par quelque chose d’encore plus basique. JCVI-syn3.0.

Cette version mise à jour ne contient que 531 000 bases réparties sur 473 gènes. Avec tous ses besoins en nutriments fournis par le laboratoire, son génome dépouillé doit s’occuper de la réplication et de la croissance et rien d’autre.

Pourtant, JCVI-syn3.0 n’est pas exactement cohérent dans sa croissance, produisant une diversité déroutante de formes dans sa progéniture. Quelques gènes ont été réintroduits, ce qui a donné la dernière version de la cellule minimale : JCVI-syn3A.

Ses créateurs ont une idée précise des gènes que contient leur cellule synthétique, mais ils sont toujours en train de déterminer exactement ce que chacun fait.

Pour rendre les choses encore plus difficiles, il est essentiel de savoir comment chaque atome et molécule se diffuse à travers la cellule, une description qui nécessite une puissance de calcul importante pour simuler.

“Nous avons développé un modèle cinétique tridimensionnel entièrement dynamique d’une cellule minimale vivante”, explique Luthey-Schulten.

“Notre modèle ouvre une fenêtre sur le fonctionnement interne de la cellule, nous montrant comment tous les composants interagissent et changent en réponse à des signaux internes et externes. Ce modèle – et d’autres modèles plus sophistiqués à venir – nous aideront à mieux comprendre le principes fondamentaux de la vie. »

La simulation a cependant confirmé quelques soupçons, comme le fait que la majeure partie de l’énergie de la cellule minimaliste était destinée à faire glisser des matériaux essentiels à travers les membranes.

Il a également donné une description précise des chronologies des réactions génétiques et métaboliques, expliquant les relations entre le taux de production de lipides et de protéines dans la membrane et les changements dans la forme de la cellule.

Étant donné que JCVI-syn3A sont essentiellement des versions épurées d’un organisme naturel, ils ne sont qu’un exemple de la façon de minimiser les fonctions de la biologie. La vie n’est rien sinon créative dans la façon dont elle surmonte les obstacles à la survie.

Maintenant que nous disposons d’un modèle éprouvé pour simuler la croissance et le développement de JCVI-syn3A, les chercheurs peuvent à nouveau développer sa complexité pour déterminer comment différents gènes contribuent à sa fonction.

Nous pourrions nous attendre à de nouvelles versions « allégées » non seulement de M. mycoides, mais aussi d’autres organismes dans un proche avenir. Si ce n’est pas des formes de vie synthétiques complètement nouvelles.

La vie est peut-être encore compliquée, mais elle est devenue beaucoup plus facile à étudier.

Cette recherche a été publiée dans Cell.

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