Cellules autosuffisantes ?

CI-DESSUS : Julie Trolle et Jef Boeke utilisent des méthodes de biologie synthétique pour permettre aux cellules de mammifères de créer des acides aminés essentiels. Avec l'aimable autorisation de Julie Trolle

Chaque fois que des étudiants approchent le généticien Jef Boeke en affirmant qu'ils ont fait une nouvelle découverte intéressante, sa première réaction est toujours : "Montrez-moi les assiettes". Boeke est le directeur fondateur de l'Institute for Systems Genetics de NYU Langone Health, et la plupart des travaux de son laboratoire se concentrent sur les micro-organismes. Regarder directement les cellules de ses étudiants au microscope l'aide à identifier les détails qui pourraient conduire à des découvertes intéressantes. Ainsi, lorsque Julie Trolle, étudiante au doctorat à la NYU Grossman School of Medicine, lui a envoyé des photos de ses cellules d'ovaire de hamster chinois (CHO) génétiquement modifiées en 2017, il savait qu'il avait besoin de les voir par lui-même. Ce qu'il a vu était la résurrection d'une voie de synthèse des acides aminés qui a été perdue chez les animaux il y a plus de 500 millions d'années.

Au total, 20 acides aminés composent les milliers de protéines différentes de toutes les formes de vie. Mais les animaux ne peuvent en fabriquer que 11; ils doivent capter les autres acides aminés essentiels de leur environnement. Ils le font en consommant des plantes, qui fabriquent généralement les 20 acides aminés, ou en mangeant des animaux qui ont consommé des plantes. Étant donné que la plupart des plantes et des micro-organismes portent la voie pour les 20, les neuf manquants soulèvent des questions sur l'évolution animale : quand et pourquoi ces voies ont-elles été perdues ? Et les animaux pourraient-ils en quelque sorte produire à nouveau les acides aminés ? Trolle était particulièrement intéressé par l'utilisation de la biologie synthétique et de l'ingénierie pour répondre à cette deuxième question et, ce faisant, potentiellement jeter les bases de solutions à divers problèmes médicaux et industriels.

La fabrication des cellules modifiées n'a pas été facile, a-t-elle déclaré. L'ancêtre animal avec ces voies de synthèse a vécu il y a au moins 500 millions d'années. Les interactions entre les enzymes nécessaires à la fabrication des acides aminés n'étaient certainement pas les mêmes chez ces ancêtres que dans les cellules CHO des plaques de culture de Trolle.

Elle a choisi de concentrer ses efforts sur la valine en raison de sa similitude chimique avec l'isoleucine, un autre acide aminé essentiel. Une cellule qui pourrait produire de la valine pourrait également produire de l'isoleucine, a-t-elle dit, ce qui pourrait rendre cela plus efficace que de concevoir une seule voie de production d'acides aminés.

Elle a commencé par introduire des gènes bactériens qui codent pour des enzymes qui ne sont normalement pas produites dans les cellules animales dans les cellules CHO standard de l'industrie. Elle espérait que les cellules seraient alors capables de convertir les composés biochimiques de leur environnement en valine et en isoleucine. Trolle a placé ses cellules modifiées et un groupe de cellules témoins dans un milieu dépourvu d'un ou des deux acides aminés pour voir s'ils survivraient.

À sa grande déception, les cellules n'ont pas bien survécu sans isoleucine dans leur milieu de culture, quels que soient les ajustements qu'elle a apportés à la voie, indiquant qu'elles ne fabriquaient aucun acide aminé. Cependant, les cellules de Trolle ont continué à bien survivre dans un milieu sans valine.

Les différences de résultat entre les cellules régulières et celles génétiquement modifiées étaient "plus que convaincantes", a déclaré Boeke. Les cellules génétiquement modifiées ont mieux survécu que les cellules témoins, ce qui implique qu'elles produisaient elles-mêmes l'acide aminé essentiel.

Trolle a mesuré les niveaux de valine dans le milieu de culture pour confirmer que les cellules synthétisaient la valine lorsqu'elles étaient alimentées en glucose et en pyruvate. "Ce fut un succès incroyable", a déclaré Boeke. "Nous étions tellement excités." Cependant, lorsque l'équipe a soumis les résultats pour publication en 2021, les examinateurs étaient sceptiques. La production de valine dans les cellules de Trolle a commencé à s'essouffler à partir de 20 jours, et beaucoup plus à 40 jours. Les examinateurs ont noté que les cellules CHO devraient être capables de produire de la valine à un rythme constant.

Avec l'aide de Boeke et d'autres chercheurs, Trolle a essayé différents ajustements sans succès. Finalement, cependant, elle a fait une percée. Elle a découvert que le problème avec la voie était une accumulation d'un composé intermédiaire fabriqué par les cellules. Pour corriger cela, Trolle a essayé d'ajouter une copie supplémentaire du gène qui code pour l'enzyme qui a converti cet intermédiaire en le produit suivant.

Le changement a fonctionné; soudainement, les cellules ont produit de la valine à un taux plus élevé que le lot de cellules précédent. Et la production de valine a augmenté de manière constante tout au long de l'expérience de 40 jours.1 "C'est la première cellule animale à produire de la valine qui ait jamais existé", a déclaré Trolle, qui est maintenant stagiaire postdoctoral dans le laboratoire de Boeke.

"C'est un résultat pionnier et encourageant", a déclaré Andrew Hessel, biologiste cellulaire et généticien qui a cofondé la société de traitement du cancer Humane Genomics et cofondé et présidé Genome Project-write, un effort de recherche international axé sur l'édition et la synthèse du génome. Hessel n'était pas impliqué dans la recherche, bien qu'il ait déjà collaboré avec Boeke et un autre des auteurs de l'étude. "C'est une première étape vraiment cool vers la fabrication d'une cellule entièrement autotrophe", a déclaré Hessel.

Maintenant que Trolle a démontré qu'une cellule animale productrice d'acides aminés essentiels est possible, Hessel a déclaré que ce n'est qu'une question de temps avant que d'autres suivent ses traces avec différents acides aminés. "Nous finirons par voir une cellule capable de fabriquer tous ses acides aminés dans les prochaines années", a-t-il déclaré.

Trolle espère que le travail aura des applications pour les méthodes de culture cellulaire. Le milieu utilisé pour nourrir les cellules CHO avec lesquelles elle a travaillé, par exemple, est coûteux et repose souvent sur des produits d'origine animale. Travailler avec des cellules autotrophes serait plus facile et plus rentable et rendrait plus réalisables des processus tels que la culture de viande en laboratoire. "Tout type d'application impliquant la culture de cellules de mammifères à grande échelle nécessitera probablement une certaine ingénierie du génome afin de la rendre évolutive", a-t-elle déclaré. "C'est un premier pas vers la réalisation de ce genre de choses."

Selon le biologiste synthétique de l'Université de Stanford, Drew Endy, qui n'a pas participé à l'étude, ces voies pourraient être modifiées pour créer d'autres acides aminés qui n'ont jamais été biosynthétisés auparavant. Une telle technologie pourrait conduire à la production de nouvelles protéines et de nouveaux médicaments, a déclaré Endy, qui investit dans des sociétés de biologie synthétique et a cofondé et conseille toujours la société de construction d'ADN Gen9.

Au-delà des cellules CHO, Boeke s'intéresse à l'incorporation des voies nouvellement conçues dans les cellules souches embryonnaires, créant potentiellement une souris qui pourrait produire sa propre valine, qui pourrait être moins chère à nourrir en laboratoire. Cependant, Boeke a déclaré que pour l'instant, des projets tels que des cellules animales entièrement autotrophes relèvent toujours de la science-fiction, ajoutant qu'il pourrait y avoir "des conséquences imprévues si les cellules produisent réellement ces [acides aminés]".

Hessel est néanmoins impressionné par le travail, et en particulier l'utilisation de gènes bactériens pour améliorer les cellules de mammifères. "Nos cellules de mammifères ont beaucoup à apprendre des bactéries", a-t-il déclaré. "Il est remarquable que les bactéries nous apprennent à être plus indépendants."

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