La mousse partiellement synthétique ouvre la voie aux plantes dotées de génomes de conception

La biologie synthétique est déjà en train de réécrire la vie.

Fin 2023, les scientifiques a révélé des cellules de levure avec la moitié de leur modèle génétique remplacé par de l'ADN artificiel. Ce fut un moment décisif dans une Un projet de 18 ans concevoir des versions alternatives de chaque chromosome de levure. Malgré sept chromosomes synthétiques et demi, les cellules se sont reproduites et ont prospéré.

Une nouvelle étude nous fait gravir les échelons de l'évolution jusqu'aux plantes design.

Pour un projet appelé SynMoss, une équipe chinoise a redessiné une partie d'un chromosome unique dans un type de mousse. La plante partiellement synthétique résultante a poussé normalement et a produit des spores, ce qui en fait l'un des premiers êtres vivants dotés de plusieurs cellules à porter un chromosome partiellement artificiel.

Les changements personnalisés dans les chromosomes de la plante sont relativement faibles par rapport à la levure synthétique. Mais c’est une étape vers une refonte complète des génomes des organismes de niveau supérieur.

Dans une interview avec Sciences, le biologiste synthétique Dr Tom Ellis de l'Imperial College de Londres a déclaré qu'il s'agissait d'un « signal d'alarme pour les gens qui pensent que les génomes synthétiques sont réservés aux microbes ».

Améliorer la vie

Les efforts visant à réécrire la vie ne visent pas uniquement à satisfaire la curiosité scientifique.

Bricoler l'ADN peut nous aider à déchiffrer l'histoire de l'évolution et à identifier les segments critiques de l'ADN qui maintiennent la stabilité des chromosomes ou provoquent des maladies. Les expériences pourraient également nous aider à mieux comprendre la « matière noire » de l’ADN. Disséminées dans le génome, de mystérieuses séquences qui ne codent pas pour des protéines ont longtemps dérouté les scientifiques : sont-elles utiles ou ne sont-elles que des vestiges de l'évolution ?

Les organismes synthétiques facilitent également la création d’êtres vivants. Les bactéries et les levures, par exemple, sont déjà utilisées pour brasser de la bière et pomper des médicaments vitaux comme l’insuline. En ajoutant, en modifiant ou en supprimant des parties du génome, il est possible de donner à ces cellules de nouvelles capacités.

Dans une étude récente, par exemple, les chercheurs ont reprogrammé des bactéries pour qu'elles synthétisent des protéines à l'aide d'éléments constitutifs d'acides aminés que l'on ne trouve pas dans la nature. En autre étude, une équipe a transformé des bactéries en Terminators rongeurs de plastique qui recyclent les déchets plastiques en matériaux utiles.

Bien qu’impressionnantes, les bactéries sont constituées de cellules différentes du nôtre : leur matériel génétique flotte, ce qui les rend potentiellement plus faciles à recâbler.

La Projet de levure synthétique a été une percée. Contrairement aux bactéries, la levure est une cellule eucaryote. Les plantes, les animaux et les humains entrent tous dans cette catégorie. Notre ADN est protégé à l’intérieur d’une bulle en forme de noix appelée noyau, ce qui rend sa modification plus difficile pour les biologistes synthétiques.

Et en ce qui concerne les eucaryotes, les plantes sont plus difficiles à manipuler que la levure, un organisme unicellulaire, car elles contiennent plusieurs types de cellules qui coordonnent la croissance et la reproduction. Les changements chromosomiques peuvent se produire différemment selon le fonctionnement de chaque cellule et, à leur tour, affecter la santé de la plante.

"La synthèse du génome dans les organismes multicellulaires reste un territoire inexploré", a écrit l'équipe dans son article.

Une cuisson lente et maîtrisée

Plutôt que de construire un tout nouveau génome à partir de zéro, l’équipe a bricolé le génome de la mousse existant.

Ce duvet vert a été largement étudié en laboratoire. Une première analyse du génome de la mousse a révélé qu'il contient 35,000 26 gènes potentiels, ce qui est étonnamment complexe pour une plante. Ses XNUMX chromosomes ont été entièrement séquencés.

Pour cette raison, la plante est un « modèle largement utilisé dans les études de développement évolutif et de biologie cellulaire », a écrit l’équipe.

Les gènes de la mousse s'adaptent facilement aux changements environnementaux, en particulier à ceux qui réparent les dommages causés à l'ADN par la lumière du soleil. Comparée à d’autres plantes, comme le cresson de Thale, un autre modèle privilégié par les biologistes, la mousse a la capacité intrinsèque de tolérer d’importants changements dans l’ADN et de se régénérer plus rapidement. Les deux aspects sont « essentiels » lors de la réécriture du génome, a expliqué l’équipe.

Un autre avantage ? La mousse peut devenir une plante à part entière à partir d’une seule cellule. Cette capacité est un scénario de rêve pour les biologistes synthétiques, car la modification des gènes ou des chromosomes dans une seule cellule peut potentiellement modifier un organisme entier.

Comme les nôtres, les chromosomes des plantes ressemblent à un « X » avec deux bras croisés. Pour cette étude, l’équipe a décidé de réécrire le bras chromosomique le plus court de la plante, le chromosome 18. Il s’agissait encore d’un projet gigantesque. Auparavant, le remplacement le plus important concernait seulement environ 5,000 68,000 lettres d’ADN ; la nouvelle étude devait remplacer plus de XNUMX XNUMX lettres.

Remplacer les séquences d'ADN naturelles par « de grands fragments synthétiques redessinés représentait un formidable défi technique », a écrit l'équipe.

Ils ont adopté une stratégie « diviser pour régner ». Ils ont d’abord conçu des morceaux d’ADN synthétique de taille moyenne avant de les combiner en un seul « méga-morceau » d’ADN du bras chromosomique.

Le chromosome nouvellement conçu présentait plusieurs changements notables. Il était dépourvu de transposons, ou « gènes sauteurs ». Ces blocs d'ADN se déplacent dans le génome et les scientifiques se demandent encore s'ils sont essentiels aux fonctions biologiques normales ou s'ils contribuent à la maladie. L’équipe a également ajouté des « étiquettes » d’ADN au chromosome pour le marquer comme étant synthétique et a modifié la façon dont il régule la fabrication de certaines protéines.

Dans l’ensemble, les changements ont réduit la taille du chromosome de près de 56 pour cent. Après avoir inséré le chromosome concepteur dans des cellules de mousse, l’équipe les a transformés en plantes adultes.

Une fleur semi-synthétique

Même avec un génome fortement modifié, la mousse synthétique était étonnamment normale. Les plantes se transformaient facilement en buissons feuillus avec de multiples branches et produisaient finalement des spores. Toutes les structures reproductrices ressemblaient à celles trouvées dans la nature, ce qui suggère que les plantes semi-synthétiques avaient un cycle de vie normal et pouvaient potentiellement se reproduire.

Les plantes ont également maintenu leur résilience face aux environnements très salés – une adaptation utile également observée chez leurs homologues naturels.

Mais la mousse synthétique présentait des bizarreries épigénétiques inattendues. L'épigénétique est la science qui étudie la manière dont les cellules activent ou désactivent les gènes. La partie synthétique du chromosome avait un profil épigénétique différent de celui de la mousse naturelle, avec plus de gènes activés que d'habitude. Cela pourrait potentiellement être dangereux, selon l'équipe.

La mousse a également offert des informations potentielles sur la « matière noire » de l'ADN, y compris les transposons. La suppression de ces gènes sauteurs ne semble pas nuire aux plantes partiellement synthétiques, ce qui suggère qu'elles pourraient ne pas être essentielles à leur santé.

Plus concrètement, les résultats pourraient stimuler les efforts en matière de biotechnologie utiliser la mousse pour produire une large gamme de protéines thérapeutiques, notamment celles qui combattent les maladies cardiaques, guérissent les plaies ou traitent les accidents vasculaires cérébraux. La mousse est déjà utilisée pour synthétiser des médicaments. Un génome partiellement conçu pourrait modifier son métabolisme, renforcer sa résilience contre les infections et augmenter le rendement.

La prochaine étape consiste à remplacer l’intégralité du bras court du chromosome 18 par des séquences synthétiques. Ils visent à générer un génome synthétique complet de mousse d’ici 10 ans.

C'est un objectif ambitieux. Comparé au génome de la levure, qui a nécessité 18 ans et une collaboration mondiale pour en réécrire la moitié, le génome de la mousse est 40 fois plus gros. Mais avec des technologies de lecture et de synthèse de l’ADN de plus en plus efficaces et moins chères, l’objectif n’est pas hors de portée.

Des techniques similaires pourraient également inspirer d’autres projets visant à repenser les chromosomes d’organismes autres que les bactéries et les levures, des plantes aux animaux.

Crédit image: Pyrex / Wikimédia Commons

• Contenu propulsé par le référencement et distribution de relations publiques. Soyez amplifié aujourd'hui.
• PlatoData.Network Ai générative verticale. Autonomisez-vous. Accéder ici.
• PlatoAiStream. Intelligence Web3. Connaissance Amplifiée. Accéder ici.
• PlatonESG. Carbone, Technologie propre, Énergie, Environnement, Solaire, La gestion des déchets. Accéder ici.
• PlatoHealth. Veille biotechnologique et essais cliniques. Accéder ici.
• La source: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/