Il n’y avait que huit ingrédients : deux protéines, trois agents tampons, deux types de molécules de graisse et un peu d’énergie chimique. Mais cela a suffi pour créer une flottille de blobs rebondissants et pulsants – des structures rudimentaires ressemblant à des cellules et dotées d’une partie de la machinerie nécessaire pour se diviser par elles-mêmes.

Pour la biophysicienne Petra Schwille, les créations dansantes de son laboratoire représentent une étape importante vers la construction d’une cellule synthétique à partir de la base, ce à quoi elle travaille depuis dix ans, plus récemment à l’Institut Max Planck de biochimie de Martinsried, en Allemagne.

“J’ai toujours été fascinée par cette question : “Qu’est-ce qui distingue la vie de la matière non vivante ?”, dit-elle. Le défi, selon Schwille, est de déterminer les composants nécessaires à la fabrication d’un système vivant. Dans sa cellule synthétique parfaite, elle connaîtrait tous les facteurs qui la font fonctionner.

Les chercheurs essaient de créer des cellules artificielles depuis plus de 20 ans – en assemblant des biomolécules dans le bon contexte pour se rapprocher des différents aspects de la vie. Bien que ces aspects soient nombreux, ils se répartissent généralement en trois catégories : la compartimentation, ou la séparation des biomolécules dans l’espace ; le métabolisme, la biochimie qui entretient la vie ; et le contrôle informationnel, le stockage et la gestion des instructions cellulaires.

Le rythme des travaux s’est accéléré, notamment grâce aux progrès récents des technologies microfluidiques, qui permettent aux scientifiques de coordonner les mouvements de minuscules composants cellulaires. Des groupes de recherche ont déjà déterminé des moyens de sculpter des blobs cellulaires dans les formes souhaitées, de créer des versions rudimentaires du métabolisme cellulaire et de transplanter des génomes fabriqués à la main dans des cellules vivantes. Mais réunir tous ces éléments reste un défi.

Le domaine est néanmoins imprégné d’un nouveau sentiment d’optimisme face à cette quête. En septembre 2017, des chercheurs de 17 laboratoires des Pays-Bas ont formé le groupe Building a Synthetic Cell (BaSyC), qui vise à construire un “système de croissance et de division semblable à une cellule” d’ici dix ans, selon la biophysicienne Marileen Dogterom, qui dirige BaSyC et un laboratoire de l’université de technologie de Delft. Le projet est alimenté par une subvention néerlandaise Gravitation de 18,8 millions d’euros (21,3 millions de dollars).

En septembre, la National Science Foundation (NSF) américaine a annoncé son premier programme sur les cellules synthétiques, financé à hauteur de 10 millions de dollars. Et plusieurs chercheurs européens, dont Schwille, ont proposé de construire une cellule synthétique dans le cadre des programmes phares de la Commission européenne sur les technologies futures et émergentes, qui bénéficient d’un financement d’un milliard d’euros.

Les biologistes de synthèse prédisent que les premières cellules entièrement artificielles pourraient faire des étincelles dans un peu plus d’une décennie. “Je suis à peu près sûr que nous y arriverons”, dit Schwille.

Tout est dans l’emballage

Les groupes de recherche ont fait de grands progrès en recréant plusieurs aspects de la vie cellulaire, notamment en imitant les membranes qui entourent les cellules et compartimentent les composants internes. En effet, l’organisation des molécules est essentielle pour les faire travailler ensemble au bon moment et au bon endroit. Bien que vous puissiez ouvrir un milliard de bactéries et verser leur contenu dans un tube à essai, par exemple, les processus biologiques ne se poursuivraient pas longtemps. Certains composants doivent être maintenus à l’écart, et d’autres réunis.

“Pour moi, il s’agit de la sociologie des molécules”, déclare Cees Dekker, biophysicien également à l’Université de technologie de Delft.

Pour l’essentiel, cela signifie organiser les biomolécules sur ou dans les membranes lipidiques. Schwille et son équipe sont des experts de la manipulation des membranes. Il y a une dizaine d’années, l’équipe a commencé à ajouter des protéines Min, qui dirigent la machinerie de division d’une cellule bactérienne, à des feuilles de membranes artificielles faites de lipides. Les chercheurs ont découvert que les protéines Min s’accrochaient et se décrochaient des membranes et les faisaient onduler et tourbillonner1. Mais lorsqu’ils ont ajouté les Mins à des sphères 3D de lipides, les structures ont éclaté comme des bulles de savon, explique Mme Schwille. Son groupe et d’autres ont surmonté ce problème en utilisant des techniques microfluidiques pour construire des conteneurs membranaires de taille cellulaire, ou liposomes, qui peuvent tolérer de multiples insertions de protéines – soit dans les membranes elles-mêmes, soit à l’intérieur.

L’étudiant diplômé de Schwille, Thomas Litschel, et ses collaborateurs ont dissous les protéines Min dans de l’eau et libéré des gouttelettes du mélange dans un tube à essai tournant rapidement. La force centrifuge tire les gouttelettes à travers des couches de lipides denses qui les encapsulent en cours de route. Elles ressortent à l’autre bout sous forme de liposomes de 10 à 20 micromètres de diamètre, soit la taille d’une cellule végétale ou animale moyenne. Ces liposomes, connus sous le nom de vésicules unilamellaires géantes (GUV), peuvent être fabriqués de différentes manières, mais dans les mains de Litschel, les protéines Min ont fait en sorte que les GUV pulsent, dansent autour et se contractent au milieu2.

Le groupe de Schwille veut capitaliser sur sa connaissance de ces protéines, qui peuvent produire des motifs membranaires et s’auto-organiser. “Nous comprenons très bien ces molécules”, dit-elle. “Nous aimerions voir jusqu’où nous pouvons aller avec des éléments relativement simples comme les Mins”. Peut-être, comme le laissent entendre les travaux de Litschel, l’équipe pourrait-elle utiliser les protéines pour modeler des membranes en vue de la division ou pour rassembler des composants à une extrémité d’une cellule synthétique. Tout comme certains physiciens utilisent du ruban adhésif et du papier d’aluminium pour peaufiner leurs expériences, Mme Schwille espère que ces molécules biologiques pratiques lui permettront de bricoler des structures de type cellulaire : “Je suis une expérimentatrice jusqu’à l’os”.

Les membres de l’équipe de Dekker ont également rempli des liposomes avec leurs protéines préférées en utilisant une puce microfluidique (voir ‘Les machines à bulles’). Sur la puce, deux canaux contenant des molécules lipidiques convergent vers un canal rempli d’eau et recrachent des liposomes de taille cellulaire qui peuvent contenir diverses molécules biologiques, soit collées à travers la membrane, soit flottant librement à l’intérieur du récipient3.

Son groupe a expérimenté la pressurisation, la déformation et le remodelage des liposomes pour qu’ils prennent des formes non sphériques imitant mieux les cellules. Les dispositifs microfluidiques donnent aux chercheurs plus de contrôle pour déplacer, trier et manipuler les liposomes à l’aide de microcanaux qui fonctionnent presque comme des circuits. Cette année, le laboratoire Dekker a conçu une puce capable de séparer mécaniquement un liposome en deux en le poussant contre une pointe acérée4.

“Bien sûr, ce n’est pas ce que nous recherchons – nous voulons démontrer la division de l’intérieur, mais cela nous donne quand même des informations intéressantes”, explique M. Dekker. Par exemple, la force nécessaire pour diviser une cellule et les types de manipulation physique que les liposomes peuvent tolérer. Dans le même ordre d’idées, son équipe a également joué avec la forme des cellules vivantes d’Escherichia coli, les rendant plus larges ou carrées en les cultivant dans des chambres en silicone nanofabriquées. De cette façon, les membres de l’équipe peuvent voir comment la forme des cellules affecte la machinerie de division, et évaluer comment les protéines Min fonctionnent dans des cellules de taille et de forme différentes5.

“Nous jouons avec les techniques de nanofabrication et faisons des choses qu’un biologiste cellulaire normal ne ferait jamais”, dit-il. “Mais un biophysicien étrange comme moi peut le faire.”

Ajouter de l’énergie au système

Maintenant qu’il est possible d’ajouter des composants aux bulles de liposomes sans les faire éclater, les groupes peuvent planifier comment faire fonctionner les molécules ensemble. Presque tout ce qui ressemble à la vie nécessite de l’énergie cellulaire, généralement sous forme d’ATP. Et bien que celle-ci puisse être ajoutée de l’extérieur pour alimenter un système synthétique, de nombreux biologistes travaillant sur des approches ascendantes soutiennent qu’une véritable cellule synthétique devrait avoir sa propre centrale électrique, quelque chose de similaire à la mitochondrie d’une cellule animale ou au chloroplaste d’une plante, qui produisent tous deux de l’ATP.

Le groupe de Joachim Spatz à l’Institut Max Planck pour la recherche médicale à Heidelberg, en Allemagne, a construit une mitochondrie rudimentaire qui peut créer de l’ATP à l’intérieur d’une vésicule.

Pour ce faire, son équipe a profité de nouvelles techniques microfluidiques. Tout d’abord, ils ont stabilisé les GUV en les plaçant à l’intérieur de gouttelettes d’eau dans l’huile entourées d’une coque visqueuse de polymères. Ensuite, alors que ces GUVs stabilisés par des gouttelettes s’écoulaient dans un microcanal, l’équipe leur a injecté de grosses protéines, soit à l’intérieur de la vésicule, soit intégrées à la surface de la membrane (voir ‘Les chaînes de montage’).

Ils ont chargé ces membranes d’une enzyme appelée ATP synthase, qui agit comme une sorte de roue à eau moléculaire, créant de l’énergie ATP à partir de molécules précurseurs lorsque les protons traversent la membrane. En ajoutant de l’acide pour stimuler les protons à l’extérieur des GUV, l’équipe a stimulé la production d’ATP à l’intérieur6.

Spatz explique que les chercheurs pourraient faire tourner à nouveau les GUV autour du microcanal pour une autre injection de protéines, pour ajouter séquentiellement des composants. Par exemple, la prochaine étape pourrait être d’ajouter un composant qui mettra automatiquement en place le gradient de protons pour le système.

“C’est un module important, comme vous en avez dans la vie réelle”, dit Spatz.

Un autre groupe de biologie synthétique de Max Planck, dirigé par le biochimiste Tobias Erb, s’est attaqué à d’autres approches pour construire des voies métaboliques cellulaires. Il s’intéresse particulièrement aux voies qui permettent aux microbes photosynthétiques de tirer le dioxyde de carbone de l’environnement et de fabriquer des sucres et d’autres éléments constitutifs des cellules.

Erb, chef de groupe à l’Institut Max Planck de microbiologie terrestre de Marbourg, en Allemagne, adopte une approche de l’ardoise blanche pour synthétiser les voies métaboliques cellulaires. “Du point de vue de l’ingénierie, nous réfléchissons à la façon de concevoir”, dit-il, “puis nous le construisons en laboratoire”.

Son groupe a esquissé une conception de système qui pourrait convertir le CO2 en malate, un métabolite clé produit pendant la photosynthèse. L’équipe a prédit que la voie serait encore plus efficace que la photosynthèse. Ensuite, Erb et son équipe ont recherché dans les bases de données les enzymes susceptibles de réaliser chacune des réactions. Pour certaines d’entre elles, ils ont dû modifier des enzymes existantes en enzymes de conception.

En fin de compte, ils ont trouvé 17 enzymes provenant de 9 organismes différents, dont E. coli, une archée, la plante Arabidopsis et les humains. La réaction, peut-être sans surprise, était inefficace et lente7.

“Nous avons mis ensemble une équipe d’enzymes qui ne jouaient pas bien ensemble”, dit Erb. Après un peu plus d’ingénierie enzymatique, cependant, l’équipe dispose d’une “version 5.4” qui, selon Erb, fonctionne 20% plus efficacement que la photosynthèse.

Enrichissant ce travail, le groupe d’Erb a commencé à construire une version brute d’un chloroplaste synthétique. En broyant des épinards dans un mixeur, et en ajoutant sa machinerie de photosynthèse à leur système enzymatique dans le tube à essai, les biologistes peuvent piloter la production d’ATP et la conversion du CO2 en malate – uniquement en l’éclairant aux ultraviolets.

Bien que tout puisse fonctionner brièvement dans un tube à essai, dit Erb, “à la fin, nous aimerions que ce soit compartimenté, comme un chloroplaste”. Il est impatient de collaborer avec des biologistes synthétiques comme Kate Adamala, qui peuvent construire et contrôler des compartiments complexes.

Le groupe de Kate Adamala à l’Université du Minnesota à Minneapolis travaille sur les moyens de construire des bioréacteurs programmables, en introduisant des circuits génétiques simples dans les liposomes et en les fusionnant pour créer des bioréacteurs plus complexes. Elle les appelle “des bulles de savon qui fabriquent des protéines”.

Son groupe construit ces bioréacteurs en utilisant un système de tube rotatif similaire à celui de Schwille, mais qui produit des liposomes plus petits. Les chercheurs y ajoutent des cercles d’ADN appelés plasmides qu’ils ont conçus pour remplir une fonction particulière, ainsi que toute la machinerie nécessaire pour fabriquer des protéines à partir de l’ADN.

Par exemple, son groupe a fabriqué des bioréacteurs à liposomes qui peuvent détecter un antibiotique dans leur environnement à travers les pores de la membrane et peuvent générer un signal bioluminescent en réponse8.

En fusionnant des bioréacteurs simples de manière séquentielle, l’équipe peut construire des circuits génétiques plus complexes. Mais les systèmes commencent à s’effondrer lorsqu’ils s’étendent pour inclure une dizaine de composants. Selon M. Adamala, il s’agit là d’un défi majeur pour le domaine. Dans une cellule réelle, les protéines susceptibles d’interférer les unes avec les autres sont maintenues à distance par divers mécanismes. Pour les cellules synthétiques beaucoup plus simples, les biologistes doivent trouver d’autres moyens d’imposer ce contrôle. Il pourrait s’agir d’un contrôle externe, dans lequel l’expérimentateur décide quels liposomes sont mélangés et à quel moment. Cela pourrait également être accompli par des étiquettes chimiques qui régulent quels liposomes peuvent fusionner ensemble, ou par un système de libération dans le temps.

Injections informationnelles

Une autre clé pour fabriquer une cellule est d’obtenir le bon logiciel. Pour permettre à une cellule synthétique de suivre les instructions des scientifiques et de se répliquer, il faudra trouver un moyen de stocker et de récupérer les informations. Pour les systèmes vivants, cela se fait par les gènes – de quelques centaines pour certains microbes, à des dizaines de milliers pour les humains.

Combien de gènes une cellule synthétique devra-t-elle avoir pour s’auto-exécuter est un sujet de débat sain. Schwille et d’autres voudraient le maintenir aux alentours de quelques dizaines. D’autres, comme Adamala, pensent que les cellules synthétiques ont besoin de 200 à 300 gènes.

Certains ont choisi de commencer par quelque chose de vivant. Le biologiste de synthèse John Glass et ses collègues du J. Craig Venter Institute (JCVI) de La Jolla, en Californie, ont pris l’un des plus petits génomes microbiens connus de la planète, celui de la bactérie Mycoplasma mycoides, et ont systématiquement perturbé ses gènes pour en identifier les essentiels. Une fois cette information obtenue, ils ont recousu chimiquement un génome minimal en laboratoire.

Ce génome synthétisé contenait 473 gènes – environ la moitié de ce qui se trouvait dans l’organisme d’origine – et il a été transplanté dans une espèce bactérienne apparentée, Mycoplasma capricolum9. En 2016, l’équipe a montré que ce génome synthétique minimal pouvait “démarrer” un organisme vivant librement, bien que sa croissance soit lente10. M. Glass pense qu’il sera difficile de diminuer encore ce nombre : si l’on retire un gène, cela tue les cellules ou ralentit leur croissance jusqu’à un niveau proche de zéro, dit-il.

Il compile avec ses collègues du JCVI une liste de “tâches cellulaires” basée sur la dernière version de leur création, JCVI-syn3.0a, qui pourrait servir de plan de la liste minimale des tâches à accomplir par une cellule. Mais pour une centaine de ces gènes, ils ne parviennent pas à identifier ce qu’ils font qui les rend essentiels.

Dans une prochaine étape, et grâce à une subvention de la NSF de près d’un million de dollars, Glass et Adamala vont tenter d’installer le génome JCVI-syn3.0a dans un liposome synthétique contenant la machinerie nécessaire à la conversion de l’ADN en protéine, pour voir s’il peut survivre. Dans ce cas, le logiciel et le matériel de la cellule seraient tous deux synthétiques dès le départ.

Si elle pouvait croître et se diviser, ce serait une étape formidable. Mais beaucoup affirment que pour représenter véritablement un système vivant, elle devrait également évoluer et s’adapter à son environnement. Il s’agit là de l’objectif dont les résultats sont les plus imprévisibles, mais aussi les plus grands défis, selon M. Schwille. “Une chose qui se fabrique elle-même tout le temps n’est pas la vie, même si cela me conviendrait parfaitement”, dit-elle. “Pour qu’une cellule soit vivante, elle doit développer de nouvelles fonctionnalités”.

L’équipe de Glass au JCVI a réalisé des expériences d’évolution adaptative en laboratoire avec JCVI-syn3.0a, en sélectionnant les organismes qui se développent plus rapidement dans un bouillon riche en nutriments. Jusqu’à présent, après environ 400 divisions, lui et son équipe ont obtenu des cellules qui se développent environ 15 % plus vite que l’organisme d’origine. Ils ont également constaté l’apparition d’une poignée de modifications de séquences génétiques. Mais il n’y a pas encore de preuve que le microbe développe de nouvelles fonctions cellulaires ou augmente sa forme physique à pas de géant.

Erb dit que trouver comment ajouter de l’évolution aux cellules synthétiques est le seul moyen de les rendre intéressantes. Cette petite part de désordre dans les systèmes biologiques est ce qui leur permet d’améliorer leurs performances. “En tant qu’ingénieurs, nous ne pouvons pas construire une cellule synthétique parfaite. Nous devons construire un système autocorrectif qui s’améliore au fur et à mesure”, dit-il.

Les cellules synthétiques pourraient permettre de comprendre à quoi pourrait ressembler la vie sur d’autres planètes. Et les bioréacteurs synthétiques sous le contrôle total d’un chercheur pourraient offrir de nouvelles solutions pour traiter le cancer, s’attaquer à la résistance aux antibiotiques ou nettoyer les sites toxiques. Libérer un tel organisme dans le corps humain ou dans l’environnement serait risqué, mais un organisme conçu de haut en bas avec des comportements inconnus et imprévisibles pourrait être encore plus risqué.

Dogterom dit que les cellules vivantes synthétiques apportent également d’autres questions philosophiques et éthiques : “S’agira-t-il d’une vie ? Sera-t-elle autonome ? Est-ce que nous le contrôlerons ?” Ces conversations devraient avoir lieu entre les scientifiques et le public, dit-elle. Quant aux craintes que les cellules synthétiques ne se déchaînent, Dogterom est moins inquiète. “Je suis convaincue que notre première cellule synthétique sera une piètre imitation de ce qui existe déjà”. Et en tant qu’ingénieurs de la vie synthétique, elle et ses collègues peuvent facilement intégrer des contrôles ou un interrupteur de mise à mort qui rend les cellules inoffensives.

Elle et les autres biologistes de synthèse continueront à aller de l’avant en explorant les frontières de la vie. “Le moment est bien choisi”, dit Dogterom. “Nous avons les génomes, la liste des pièces. La cellule minimale n’a besoin que de quelques centaines de gènes pour avoir quelque chose qui ressemble à la vie. Des centaines de pièces constituent un énorme défi, mais ce ne sont pas des milliers – c’est très excitant.”