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Les enjeux de la biologie de synthèse (Rapport)

15 février 2012 : Les enjeux de la biologie de synthèse (Rapport) ( rapport de l'opecst )

B.- LES LIMITES DU RENOUVELLEMENT DE LA BIOLOGIE PAR LA BIOLOGIE DE SYNTHÈSE

Si, comme l'indique le rapport de la Commission présidentielle américaine de bioéthique, la BS est profondément ancrée dans la biologie moléculaire, c'est parce que celle-ci a contribué au développement de celle-là. S'y ajoute également l'apport de la biologie des systèmes, qui représente une autre étape du développement de la biologie moléculaire. Par ailleurs, l'une comme l'autre se heurtent aux mêmes verrous, liés essentiellement à la complexité du vivant.

1.- LA BIOLOGIE MOLÉCULAIRE ET LA BIOLOGIE DES SYSTÈMES, CONTRIBUTRICES DE LA BIOLOGIE DE SYNTHÈSE

La BS a, en effet, tiré profit des progrès technologiques et de l'accroissement considérable des connaissances intervenus dans la biologie moléculaire et dans la biologie des systèmes au cours des dernières décennies.

a) L'influence des progrès technologiques intervenus dans la biologie moléculaire

« L'espoir de pouvoir modifier le contenu génétique d'un organisme est aussi ancien que la génétique elle-même », fait observer Michel Morange84(*), indiquant ainsi que les débuts du génie génétique remontent à 1927.

Toutefois, ce sont quatre catégories de techniques développées au cours des cinquante dernières années qui ont ouvert la voie aux travaux des biologistes de synthèse, ou dont ils ont pu tirer profit.

1° La synthèse chimique de l'ADN

Le développement de techniques chimiques pour la synthèse de poly-nucléotides possédant une séquence de base spécifique a commencé au début des années 60. C'est en 1972 que H. Gobind Khorana est parvenu à synthétiser un gène bactérien de l'ARN de transfert de la tyrosine. Le gène, totalisant 126 paires de bases, provenait de la réunion de plus de 20 segments synthétisés séparément puis réunis par voie enzymatique. Ce gène artificiel fut ensuite introduit dans des cellules bactériennes portant des mutations inactivantes pour cet ARN de transfert. L'ADN synthétique fut capable de se substituer à la fonction précédemment perdue.

Le premier gène synthétisé par voie chimique codant une protéine de taille plus importante - l'interféron humain - fut préparé en 1981, requérant la synthèse et l'assemblage de 67 fragments différents pour produire un seul duplex de 514 paires de bases avec les signaux d'initiation et de terminaison reconnus par l'ARN polymérase bactérienne.

Gérald Karp, biologiste moléculaire américain, classe la synthèse par Eckard Wimmer en 2002 du poliovirus - dont il a été question précédemment - dans le prolongement de ces travaux sur la synthèse chimique de l'ADN85(*). Dans cette expérience, la séquence de 7 741 nucléotides du virus à ARN a reposé sur l'assemblage d'oligo-nucléotides pour créer une copie d'ADN du génome viral. Les chercheurs ont alors introduit cet ADN dans des extraits cellulaires, où il a été transcrit en ARN et traduit en protéines. L'ARN et les protéines du virus, produits dans ce système cellulaire, se sont assemblés en particules capables d'infecter et de tuer les souris, ce qui a suscité des craintes quant aux risques potentiels d'une telle expérience.

Gérald Karp cite également l'ingénierie des protéines parmi les applications de la synthèse de l'ADN. Ainsi rappelle-t-il que grâce aux techniques actuellement disponibles, il est possible de créer un gène artificiel et de s'en servir pour produire une protéine possédant une séquence d'acides aminés prédéterminée86(*).

De même encore, la modification d'ADN déjà synthétisés dans les cellules permet-elle de produire des protéines nouvelles. C'est grâce à une technique, appelée mutagénèse ponctuelle dirigée, que les chercheurs ont été en mesure d'isoler un gène individuel à partir de chromosomes humains, d'altérer son information dans une direction précise et de synthétiser la protéine modifiée avec sa nouvelle séquence d'acides aminés. Cette technique a de nombreuses applications en recherche fondamentale et en biologie appliquée.

2° L'ADN recombinant

L'ADN recombinant désigne la recombinaison génétique entre molécules d'ADN d'espèces différentes (ou non). On a vu dans ce travail effectué en 1972 par Paul Berg et ses collègues à l'Université de Stanford la possibilité de procéder à des manipulations génétiques.

Si la recombinaison génétique est un processus naturel qui se produit de manière aléatoire tant chez les bactéries que chez les organismes supérieurs, l'expérience de Paul Berg a toutefois consisté à insérer un gène de virus de bactérie dans le génome du virus SV40 du singe. Pour ce faire, il a utilisé successivement un grand nombre d'enzymes qui constituent les outils de base de toute expérimentation en génie génétique, dont les enzymes de restriction87(*) pour couper l'ADN. La recherche de Paul Berg a visé à montrer que la molécule obtenue a la possibilité de se répliquer au sein d'une cellule de mammifère (ou dans une bactérie) et d'obtenir une expression des gènes assemblés au sein de ces cellules.

Ces recherches furent complétées par Herbert Boyer et Stanley Cohen qui démontrèrent qu'un gène de grenouille pouvait être exprimé dans une bactérie.

Ce rappel historique permet de mieux comprendre pourquoi, pour Steven Benner, un lien direct existe entre les recherches sur l'ADN recombinant des années 70 et celles de Craig Venter et de ses collègues sur le génome minimal, ce que reconnaît d'ailleurs ce dernier. En effet, devant la Commission présidentielle américaine de bioéthique, Craig Venter a établi un parallèle entre ses travaux et ceux qu'il a qualifiés de pionniers entrepris par Arthur Kornberg. Ce chercheur a non seulement ouvert la voie à l'expérience précitée de Paul Berg, mais il a aussi permis la mise au point d'une autre technique fondatrice du génie génétique, à savoir la réaction en chaîne due à une polymérase (Polymerase Chain Reaction - PCR).

3° La PCR

Le principe de la Polymerase Chain Reaction (PCR) est très simple. Il repose entièrement sur les propriétés de l'ADN polymérase de type 1, isolé et caractérisé par Arthur Kornberg en 1956.

Il faut attendre 1967 pour que ce même chercheur, Prix Nobel en 1959 pour le travail précédent, démontre formellement que cette enzyme pouvait produire fidèlement de l'ADN. Il utilise pour cela l'ADN d'un virus bactérien, le phage PhiX174, dont la taille du génome est parmi les plus petits génomes existants (5 386 bp : 11 gènes). Arthur Kornberg réussit à copier, in vitro, l'ADN du virus par de l'ADN polymérase I, et obtint une molécule capable « d'infecter » une bactérie et, fait important, de produire des virus infectieux.

Ces travaux inspirent à Craig Venter le commentaire suivant : « Kornberg a copié avec l'ADN polymérase, le génome de Phix, que l'on pourrait assimiler à un fragment photocopié d'ADN. Mais le plus important est qu'il ait inséré cet ADN dans E. coli, ce qui a permis la production de particules virales. »

La voie est désormais ouverte à la PCR, re-découverte en 1983 par Kary Mullis et dont Kjell Kleppe avait posé les bases dès 1971. Cette méthode, d'un niveau de performance exceptionnelle, permet de préparer une grande quantité d'ADN à partir de quantités initiales extrêmement faibles, voire de traces. Elle est désormais utilisée par la plupart des laboratoires dans le monde, en particulier par la police scientifique.

L'ADN, à l'état naturel, est composé de deux brins complémentaires. Lorsque cette molécule d'ADN est chauffée à 95°, les deux brins se séparent. Si l'on ajoute de l'ADN polymérase classique, rien ne se passe pour deux raisons :

1) à cette température, cette polymérase est détruite,

2) il manque à l'ADN polymérase un motif même très court d'ADN double brin sur lequel cet enzyme s'accroche et se positionne pour poursuivre la synthèse d'un brin complémentaire. L'ADN polymérase ne peut pas fonctionner sur un brin simple.

Pour remédier à ces difficultés, on abaisse donc la température à 50°, après avoir ajouté, dans le milieu où se trouve l'ADN désormais simple brin, de petits morceaux d'ADN (oligonucléotides de synthèse appelés amorces) capables par leur structure de reconnaître une zone à l'extrémité du brin d'ADN à copier. En abaissant la température, des hybrides se forment entre les grands fragments d'ADN simple brin et les tout petits morceaux d'ADN double brin. En répétant l'opération, c'est-à-dire en ajoutant à chaque cycle une petite quantité d'enzymes, on passe à 2 `' molécules pour n cycles.

Le trait de génie de Kary Mullis fut d'utiliser l'ADN polymérase (Taq polymérase) d'une bactérie dite « extrémophile » qui vit naturellement dans les sources d'eau très chaudes et dont l'ADN polymérase n'est pas détruite à 95°. Dès lors, il suffit de placer dans un tube une petite quantité d'ADN, des amorces bien choisies et la Taq polymérase. Le tout est placé dans un appareil appelé « thermocycleur » qui porte alternativement la température à 95°, puis à 56-60°, puis à 72°, puis à nouveau à 95°, etc. Un cycle prend quelques minutes.

Il existe de nombreux protocoles différents de PCR destinés à une multitude d'applications différentes et à l'amplification de populations très diverses d'ADN. Grâce à cette technique largement répandue, il est possible, en quelques heures seulement, de produire des milliards de copies d'un fragment spécifique d'ADN. On a pu ainsi dire à son sujet qu'« il s'agit d'une technique simple, utilisant les propriétés du vivant - ici les enzymes de réplication de l'ADN - comme outils au service du chercheur88(*) ». C'est pourquoi les biologistes de synthèse y recourent pour synthétiser des gènes entiers ou des fragments.

4° Les outils employés par les « omiques ».

« Omiques » est un diminutif désignant les disciplines à l'aide desquelles s'est développée la biologie des systèmes, celle-ci marquant une nouvelle étape par rapport à la biologie moléculaire. « La biologie moléculaire traditionnelle, de nature " réductionniste " s'est jusqu'ici concentrée principalement sur la caractérisation des composants individuels de la cellule, gènes, protéines ou encore ARN non codants, avec pour but de comprendre la vie à partir de la caractérisation des macromolécules qui la constituent. Toutefois protéines et ARN opèrent en interagissant les uns avec les autres, formant ainsi des systèmes dont la complexité peut difficilement être comprise une molécule à la fois. La biologie systémique, de nature " intégrative et holistique " entend comprendre la vie à partir de ces systèmes.89(*) »

La définition de François Képès de la biologie des systèmes est la suivante : science de l'analyse systémique des comportements dynamiques et spatiaux de réseaux d'interaction entre bio-molécules.

Les « omiques » sont principalement :

- la génomique, science des génomes complets, qui étudie la structure, le fonctionnement, l'évolution, les fonctions des génomes de diverses espèces dans leur globalité,

- la transcriptomique, qui étudie l'ensemble des ARN messagers produits à un moment donné lors du processus de transcription d'un génome,

- la protéomique, qui vise à inventorier l'ensemble des protéines présentes au sein d'une cellule ou d'un organe et étudie la structure et l'expression de ces protéines ainsi que leurs interactions,

- la métabolomique, qui étudie l'ensemble des métabolites - sucres, acides aminés, acides gras, etc. - présents dans une cellule, un organe ou un organisme et leurs relations.

L'étude récente de Jiang Lian et al.2 indique que les biologistes de synthèse recourent aux outils de la génomique, de la protéomique et de la métabolomique.


* 84 Michel Morange, « Histoire de la biologie moléculaire», p.239.

* 85 Gérald Karp, « Biologie cellulaire et moléculaire», p.764.

* 86 Gérald Karp, « Biologie cellulaire et moléculaire», p.73.

* 87 Une enzyme de restriction est une protéine qui peut couper un fragment d'ADN au niveau d'une séquence de nucléotides caractéristique appelée site de restriction.

* 88 Michel Morange, « Histoire de la biologie moléculaire ».

* 89 Anne-Ruzandra Carvenis et al., « Biologie systémique », Médecine-sciences, juin-juillet, 2009.

2 Jiang Lian et al., «Synthetic Biology: putting synthesis into biology», Systems Biology and Medecine, janvier-février 2011.