Les chercheurs ont développé une nouvelle technique pour protéger les délicats circuits génétiques synthétiques des perturbations causées par la croissance cellulaire, un défi courant en génie génétique. L’approche exploite un processus naturel appelé séparation de phase liquide-liquide pour créer de minuscules compartiments protecteurs au sein des cellules, préservant ainsi les modifications techniques et garantissant le fonctionnement cohérent des programmes génétiques synthétiques.
Le problème : dilution et défaillance du circuit
Lorsque les ingénieurs généticiens conçoivent et assemblent des circuits génétiques synthétiques pour programmer des cellules avec de nouvelles fonctions, un problème crucial se pose à mesure que les cellules se développent et se divisent. Les molécules de signalisation clés – composants essentiels de ces circuits – peuvent se diluer, conduisant à une instabilité et finalement à l’échec des programmes de synthèse. Cette dilution empêche les circuits de conserver leur comportement programmé.
Une solution inspirée par la nature
Xiaojun Tian, professeur agrégé à la School of Biological and Health Systems Engineering de l’Arizona State University, et son équipe ont conçu une solution qui imite les propres stratégies d’organisation de la nature. En concevant les cellules pour qu’elles forment de petits compartiments ressemblant à des gouttelettes, appelés condensats transcriptionnels, autour de gènes clés, elles protègent efficacement ces gènes des effets perturbateurs de la croissance cellulaire.
Comment fonctionne la séparation de phase liquide-liquide
Les cellules utilisent naturellement la séparation de phase liquide-liquide pour organiser leur environnement interne, créant ainsi des compartiments pour les réactions biochimiques essentielles sans avoir besoin de membranes. L’équipe a reconnu le potentiel d’exploiter ce processus pour protéger les circuits génétiques synthétiques. Ces gouttelettes microscopiques agissent comme des « zones de sécurité », empêchant les molécules clés d’être éliminées à mesure que la cellule se développe.
“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.”
Un changement dans les approches de la biologie synthétique
Traditionnellement, la biologie synthétique s’est concentrée sur la manipulation de séquences d’ADN ou de boucles de rétroaction régulatrices pour maintenir la fonctionnalité des systèmes modifiés. L’équipe de Tian a introduit un principe de conception différent, basé sur la physique, qui fonctionne avec l’organisation existante des molécules dans les 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”, ajoute Wenwei Zheng, professeur de chimie. “C’est une solution physique simple qui évite la dilution et assure le fonctionnement fiable des circuits.”
Preuve visuelle : les gouttelettes en action
Les images microscopiques de l’étude présentent des amas lumineux et brillants de ces condensats transcriptionnels à l’intérieur des cellules, confirmant visuellement que ces gouttelettes peuvent se former précisément là où cela est nécessaire pour stabiliser l’activité des gènes.
L’expertise collaborative stimule l’innovation
Cette avancée est le résultat d’un effort interdisciplinaire, s’appuyant sur l’expertise de la biologie synthétique, de la modélisation et de l’ingénierie métabolique. Le projet a été porté par David Nielsen, professeur de génie chimique, qui a souligné les applications pratiques de cette découverte : « C’est passionnant de voir comment ces gouttelettes peuvent être utilisées pour augmenter les rendements de la bioproduction. »
Applications futures et potentiel
Les chercheurs voient un énorme potentiel pour cette technique. Le groupe de Tian travaille déjà à l’ingénierie de différents types de condensats pour contrôler des gènes spécifiques, créant ainsi ce qu’ils décrivent comme des « cellules intelligentes » capables de s’adapter et de fonctionner à long terme.
“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 un changement important dans la biologie synthétique. En tirant parti des principes d’organisation naturels de la cellule, les chercheurs peuvent créer des systèmes à la fois puissants et intrinsèquement stables, ouvrant ainsi de nouvelles voies pour des usines cellulaires stables et de futures applications médicales. Les prochaines étapes consistent à démontrer les applications de la technique dans des mises en œuvre plus diverses afin d’évaluer la résilience et l’évolutivité, bien que le potentiel d’une application plus large soit considéré comme élevé.
