Le code de la vie transmis par l’ADN tient depuis des milliards d’années en quatre lettres, quatre bases azotées, les fameuses ATCG. Une équipe américaine vient d’ajouter deux nouvelles lettres à cet alphabet fondamental, et elle est parvenue à les faire répliquer au sein de plusieurs générations de bactéries, une performance longtemps considérée comme irréalisable. La revue Nature met en ligne, jeudi 8 mai, l’étude qui marque une nouvelle étape dans cette quête commencée il y a plusieurs décennies.

Pour mesurer la portée de ces travaux, rappelons d’abord que l’alphabet biologique fonctionne par paires : dans l’ADN, AT (adénine-thymine) et CG (cytosine-guanine), bases complémentaires, constituent chacunes les barreaux de la double hélice. Précisons aussi que dans l’ARN, autre molécule porteuse d’information génétique, la base T est remplacée par U (pour uracile). La suite de ces lettres (AATTCGTAGC, par exemple) constitue des gènes, selon un code qui commande la fabrication de protéines nécessaires au fonctionnement de tous les organismes vivants.

Représentation de la double-hélice d'ADN. MesserWoland/CC BY-SA 3.0

L’équipe dirigée par Floyd Romesberg (Scripps Research Institute, La Jolla, Californie) est donc parvenue à intégrer dans le génome d’une bactérie, Escherichia coli, une nouvelle paire de bases nucléiques, d5SICS et dNaM, dont la présence a été tolérée par la machinerie de réplication du micro-organisme : cette paire de bases non naturelles se retrouvait dans 99,4 % des descendants de la bactérie. Ces bases inédites ne figuraient pas dans les chromosomes de la cellule, mais dans un plasmide, un anneau d’ADN capable lui aussi de se répliquer au fil des générations, mais non essentiel à la survie de la bactérie.

Les propositions de nouvelles paires de bases s’était multipliées ces dernières années. Mais leur réplication avait eu lieu seulement in vitro. La percée de Floyd Romesberg et de ses collègues a consisté à faire accepter à un organisme façonné par des milliards d’années d’évolution des éléments totalement « orthogonaux », comme le disent les scientifiques. Une prouesse en plusieurs étapes.

UNE GREFFE VENUE D'UNE ALGUE

Les travaux ont d’abord consisté à modifier la bactérie E. coli afin qu’elle incorpore dans son enveloppe externe des protéines de transfert, c’est-à-dire des sortes de portes sélectives, qui permettaient le passage depuis le milieu de culture de triphosphates particuliers, précurseurs des deux bases d5SICS et dNaM. Il a fallu greffer à la bactérie ces portes provenant d’une algue. Cette première opération avait pour but de « nourrir » la bactérie avec les triphosphates, nécessaires à la réplication du plasmide où la nouvelle paire de base avait préalablement été intégrée.

Autre défi : faire accepter les lettres intruses par la mécanique génétique, prompte à s’enrayer. La réplication des plasmides est assurée par des polymérases, des enzymes capables de contrôler la bonne synthèse de brins d’ADN ou d’ARN. In vitro, il avait été démontré qu’une polymérase particulière pouvait répliquer efficacement la paire d5SICS-dNaM. Les chercheurs ont donc eu l’idée de placer précisément la nouvelle paire de base dans une région du plasmide dont ils présupposaient qu’elle était sous le contrôle de cette polymérase.

UNE LEXIQUE DE PROTÉINES PLUS RICHE



Pari réussi, puisqu’au fil des générations le plasmide a bien conservé les nouvelles lettres. Pour l’heure, il ne s’agit que de tolérance. Dans un article de commentaire lui aussi publié dans Nature, Ross Thyer et Jared Ellefson (université du Texas, Austin) décrivent ce qui pourrait suivre : faire en sorte que ces bases soient définitivement adoptées par l’organisme qui les réplique ; démontrer qu’elles peuvent être transcrites en ARN in vivo, c’est-à-dire qu’elles servent à coder des messages génétiques pris en charge par l’organisme d’accueil, pour contrôler l’expression des gènes par exemple.

Ce ne serait là qu’un avant goût d’une biologie renouvelée, avec un répertoire plus étendu de paires de bases, et un lexique de protéines infiniment plus riche. Les applications, encore hypothétiques, pourraient concerner la médecine, l’énergie, etc.

Mais Steven Benner (Foundation for Applied Molecular Evolution, Gainesville, Floride) estime que, sous sa forme actuelle, la percée de ses confrères, qu’il salue, offre peu de perspectives d’applications commerciales. Selon lui, un enjeu essentiel concerne la capacité de l’organisme hôte à fabriquer lui-même les constituants du nouvel alphabet, et non plus d’être nourri de l’extérieur. C’est l’objectif de son équipe : « Cela évitera d’ajouter des triphosphates dans la nourriture de ces organismes, dit-il. Nous pensons que cela constituera un exemple technologiquement utile de biologie artificielle. »

DES ORGANISMES « PARANATURELS »



D’autres équipes considèrent au contraire que l’obtention de lignées de tels organismes « paranaturels » constitue un avantage : elle offre une garantie de sécurité, ces OGM d’un genre nouveau ne pouvant trouver de nutriments hors des laboratoires. « Nos nouvelles bases ne peuvent pénétrer dans la cellule que si l’on “allume” la protéine membranaire venue de l’algue, souligne ainsi Denis Malyshev, premier auteur de l’étude publiée dans Nature. Sans ce transporteur, mais aussi quand on ne fournira plus les nouvelles bases, la cellule reviendra aux bases ATGC, et d5SICS et dNaM disparaîtront de son génome. » De quoi assurer selon lui le « contrôle du système ».

Il s’agit là d’un élément-clé d’une discipline en émergence, qui comme d’autres pans avancés des sciences (nanotechnologies par exemple), suscitent des critiques concernant l’éthique et la sécurité. Ces questions étaient au cœur de la première conférence sur la xénobiologie organisée du 6 au 8 mai à… Gênes par le Français Philippe Marlière. La xénobiologie vise à mettre au point des formes de vie étrangères à celles connues sur Terre, du point de vue chimique et du codage informationnel, pour émanciper le vivant de ses substrats naturels. Philippe Marlière avait lui-même annoncé en 2010 être parvenu à faire évoluer E. coli dans un milieu enrichi en chlorouracile, qui avait fini par se substituer partiellement à la base T. Mais cette intégration était réversible.

Pour lui, les travaux de Malyshev et de ses collègues constituent le franchissement d’un « cap symbolique historique : une troisième paire de bases entièrement artificielle a pu être répliquée in vivo. Il ne s'agit que de quelques générations dans une bactérie, mais le Rubicon est franchi. » Il estime cette avancée « dix fois plus significative » que l’annonce récente de l’expression d’un chromosome synthétique dans une levure.

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