Précédemment, nous avions pour objectif d’expliquer ce qu’est la biologie de synthèse. Mais qu’en est-il de son Histoire? D’où vient cette discipline?

La biologie de synthèse est une discipline axée sur l’ingénierie rationnelle du vivant. A travers l’utilisation de micro-organismes, la biologie de synthèse offre des promesses de nouvelles technologies durables pour de nombreux secteurs comme celui de la santé ou de l’agro-alimentaire.

La compréhension du vivant et du monde a toujours attisé la curiosité de l’Homme. La découverte de l’existence de micro-organismes par des chercheurs comme Antoine VAN LEEUWENHOEK ou Louis PASTEUR a permis l’essor de ce qu’on appelle aujourd’hui la microbiologie, l’étude des micro-organismes.
Une meilleure connaissance des êtres microscopiques a amené de nombreux chercheurs durant le courant du XIXème siècle à se demander si nous pourrions un jour utiliser le vivant comme un moyen pour améliorer l’existence de l’Homme sur Terre [1].

La biologie de synthèse est dérivée de la biologie moléculaire, qui se repose sur la compréhension et la manipulation de l’ADN. L’ADN (support de l’hérédité), a été découverte par Friedrich MIESCHER en 1869, qui la nomme “nucléine” [2].

S’ensuit une série d’expériences, dont celle de Frédérick GRIFFITH (1928) ainsi que Oswald AVERY, colin MACLEOD et Maclyn MCCARTY (1944) qui finiront par démontrer que l’ADN est le support de l’information génétique. Puis, en 1953, est découverte la structure de l’ADN par plusieurs chercheurs : James WATSON, Francis CRICK, Rosalind FRANKLIN et Maurice WILKINS [3].
La découverte de la structure de l’ADN a joué un rôle fondamental dans l’explication de mécanismes comme la transcription ou la traduction, deux procédés essentiels en biologie de synthèse.
Au milieu des années 50, le chercheur Alexander Robert TODD met au point une méthode pour synthétiser des nucléotides (unité à la base de la structure de l’ADN) [4]. Cette méthode va ouvrir la voie au développement d’une autre méthode maintenant indispensable en biologie de synthèse : la synthèse chimique d’ADN.
Peu de temps après la découverte de la structure de l’ADN, en 1960, François JACOB et Jacques MONOD démontrent que l’ADN est le support de l’information génétique [5], elle-même contenue dans le génome des cellules qui composent chaque individu de la bactérie à l’Homme. Elle gouverne l’ensemble des propriétés données d’un individu par l’intermédiaire des protéines. Les protéines gouvernent la fonction des cellules et donc de l’organisme, lui permettant de survivre et d’interagir avec son entourage. En modifiant un gène, on peut modifier la fonction de la protéine associée à ce gène, et donc le comportement de l’organisme tout entier.
La découverte de « l’opéron lactose » par Jacques MONOD et François JACOB a enclenché une nouvelle ère en biologie moléculaire dans les années 60. Les gènes pourraient donc être exprimés en réponse à des stimuli externes, comme la température ou la présence d’une molécule (ici le lactose), grâce à des éléments régulateurs. En associant différents gènes avec différents éléments régulateurs, on pourrait ainsi créer de nouvelles propriétés ainsi que des circuits, c’est la naissance du concept de circuit génétique.

La construction de nouveaux circuits a néanmoins longtemps eu pour obstacle les technologies de manipulation d’ADN. En 1962, les enzymes de restriction sont découvertes chez les bactéries par Werner ARBER et ses collègues [6]. Une enzyme coupe sur des régions d’ADN très spécifiques nommés sites de restrictions. En biologie moléculaire, les enzymes de restriction sont utilisées comme outils pour modifier précisément l’ADN, ce qui a permis de construire de nouveaux gènes et circuits génétiques. De nos jours, de nombreuses autres méthodes existent pour permettre de modifier l’ADN en plus des enzymes de restriction. Nous l’évoquerons dans un prochain article.

Dans les années 70-80, une méthode pour synthétiser l’ADN est mise au point [7], améliorée peu de temps après dans les années 80. Cette méthode est encore utilisée à l’heure actuelle [7bis]. Elle est réalisée par une méthode utilisant les “phosphoramidites”. Les phosphoramidites sont des nucléosides modifiés qui peuvent être ajoutés (comme des briques) sur un brin d’ADN à synthétiser de façon efficace et simple.

La méthode a joué un rôle crucial dans le développement de la biologie de synthèse, rendant plus facile la manipulation d’ADN et sa modification. Il est plus facile de construire des circuits quand tous les composants sont à disposition au format que l’on souhaite !

La technologie a entraîné quelques années plus tard le développement d’outils informatiques autorisant la conception en amont de fragments d’ADN théoriques, comme une sorte de catalogue sur mesure.

Durant cette même période (1977), la technologie révolutionnaire du séquençage d’ADN est mise au point. Le séquençage permet de déterminer la composition d’une séquence d’ADN. Deux équipes de chercheurs ont développé une méthode de séquençage : La méthode de “SANGER” et la méthode de “MAXAM et GILBERT” [8,9]. La méthode de “SANGER” sera utilisée pour une mise à l’échelle industrielle.

Dans le contexte de la biologie de synthèse, le séquençage joue un rôle très important. La connaissance à la base près de séquences d’ADN permet de créer des modèles informatiques pour la conception de circuits génétiques. Le séquençage permet aux ingénieurs en biologie de synthèse de construire et d’évaluer leurs circuits avec confiance. Imaginez-vous travailler avec un circuit électronique sans savoir si tous les composants présents sont en bon état ! Le séquençage, c’est la relation de confiance entre un chercheur et son outil, l’ADN.

Quelques années plus tard, en 1986 des chercheurs dont Kary MULLIS ont publié sur le principe d’une méthode qui facilitera les études de biologie moléculaire [10]. La technologie développée, la réaction en Chaîne par Polymérase (Polymerase Chain Reaction ou PCR), permet d’amplifier un fragment d’ADN souhaité en très grande quantité à partir d’un brin d’ADN déjà existant. Cette technologie a révolutionné la biologie moléculaire puis la biologie de synthèse. L’ADN n’est pas synthétisé en grande quantité (par souci de coût) alors que les chercheurs en biologie de synthèse en ont besoin. La PCR a remédié à ce problème en permettant, à partir d’une petite quantité d’ADN, d’en obtenir autant que souhaité !

L’approfondissement de la compréhension des mécanismes du vivant progresse ainsi d’année en année grâce à l’utilisation complémentaire de l’ensemble des techniques citées précédemment. Les chercheurs souhaitent ainsi trouver des moyens pour rendre simple et prédictive la manipulation du vivant.

Quoi de mieux pour prédire le comportement d’un circuit génétique qu’une standardisation de ses composants? En 1996, le premier fragment d’ADN, dénommée par la suite la « biobrique », est utilisé. Cette avancée est majeure pour la biologie de synthèse [11, 12].

Le XXème siècle a été une période de conception de méthodes et de découvertes à l’origine de cette discipline qu’est aujourd’hui la biologie de synthèse.

L’approfondissement de la connaissance des génomes ainsi que l’avènement de l’informatique ont contribué au début de la rationalisation de la biologie.

En 1995, 1996 et 1997, des séquençages complets des génomes sont réalisés pour Haemophilus influenzae, Saccharomyces cerevisiae et Escherichia coli respectivement [13 , 14 , 15 respectivement]. La connaissance de l’ensemble des séquences d’ADN composant les génomes de ces organismes a permis d’améliorer grandement leur compréhension, et donc leur prédictibilité.

C’est en l’an 2000 que de nouveaux types de circuits génétiques sont découverts : le “repressilator” et le “toggle switch” [16, 17]. Ces systèmes permettent un meilleur contrôle de l’expression des gènes dans le temps. La découverte de ces nouveaux circuits a permis de diversifier grandement le potentiel de la biologie de synthèse et ses applications. C’est comme si l’on découvrait l’interrupteur ou la résistance en ingénierie électronique !

La découverte de nouveaux circuits génétiques couplée à une réduction continue du coût de séquençage et de synthèse d’ADN a permis une plus grande accessibilité de la biologie de synthèse à travers le monde. Ainsi, en 2004, se déroule la première compétition de biologie de synthèse, nommée « International Genetically Engineered Machine” ou “iGEM”. Cette compétition rassemble les étudiants du monde entier autour de projets basés sur la biologie de synthèse et a posé une pierre fondatrice dans le développement de la communauté scientifique de cette science. Durant cette année s’est aussi déroulée la première conférence internationale de biologie de synthèse au “Massachusset Institute of Technology”, Etats-Unis.

Dans cette course à la découverte des mécanismes qui régissent la vie, le séquençage haut débit a été développé en 2005, notamment par l’entreprise Illumina [18]. La méthode consiste à déterminer de très longues séquences d’ADN par une analyse simultanée de plusieurs millions de petites séquences d’ADN provenant de la séquence à déterminer [19]. Le séquençage haut débit est beaucoup moins onéreux que la méthode de Sanger, ce qui a permis son utilisation généralisée pour de nombreuses applications liées à la biologie de synthèse.

Le progrès scientifique de ces dernières décennies ont levé des verrous technologiques qui ont rendu possible la création d’un génome complet en 2008 par une équipe du J. Craig Venter institute [20].

Le génome d’une bactérie, Mycoplasma genitalium, fut tout d’abord entièrement synthétisé sous la forme de longs fragments d’ADN avec les méthodes mentionnées plus tôt dans notre article. Puis, avec des méthodes dites de « recombinaison », les fragments furent assemblés tels des briques les uns à la suite des autres, formant finalement le génome de la bactérie. Ensuite, l’ensemble fut intégré dans une cellule vide, qui fut capable de l’utiliser pour se reproduire.

En 2012/2013, le système CRISPR (“Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats” ou « Courtes répétitions palindromiques groupées et régulièrement espacées”) est utilisé pour la première fois pour modifier le génome de manière précise [21, 22, 23]. Cette méthode est ensuite grandement utilisée et revisitée par les projets scientifiques du monde entier. Avant, d’autres méthodes comme la recombinaison homologue étaient utilisées pour modifier les génomes. Dans de nombreux projets de biologie de synthèse, la modification du génome d’un organisme est inévitable et nécessaire. De ce fait, CRISPR a joué un rôle majeur pour cette science. La méthode CRISPR sera détaillée dans un autre article de l’AFBS.

Ensuite, l’année 2016 est une année très importante car elle marque le début de la création de la vie de manière synthétique, de nouveau par une équipe du J. Craig Venter Institute [24]. Un génome est généralement composé de plusieurs milliers de gènes ayant une fonction précise. Beaucoup de ces gènes ne sont utiles à l’organisme que dans des situations particulières, mais un ensemble de gènes est “essentiel” dans toute situation. Par analyse informatique et de nombreuses expériences, l’équipe de chercheurs a pu sélectionner tous les gènes “essentiels” de la petite bactérie Mycoplasma mycoides. L’équipe a ensuite synthétisé tous ces gènes essentiels et les a assemblés, tout en laissant de côté les gènes “non-essentiels”. Il en a résulté un génome “minimal” de 473 gènes qui fut encapsulé dans une cellule vide de Mycoplasma mycoides. Dans des conditions très favorables, cette cellule (nommée JCV-syn3.0) est capable de se diviser et de léguer son nouveau génome.

Pour terminer ce bref aperçu, la biologie de synthèse commence à peine son ascension et promet une évolution florissante sur les prochaines années [25]. Le succès de cette ascension dépendra grandement de l’évolution des modèles informatiques mais aussi de l’identification fonctionnelles des gènes au sein des génomes séquencés. Néanmoins, sans l’aval de la société, l’évolution de la biologie de synthèse ne pourra se faire de façon juste et rationnelle pour profiter au plus grand nombre.

Victor PLET et Paul LUBRANO