A, C, G, T: les quatre «lettres» de l’alphabet de l’ADN forment le «texte» contenant l’information génétique. Depuis plusieurs années, des biochimistes s’attellent à reproduire en laboratoire le support génétique du vivant et à lui attribuer de nouvelles fonctions. Appelée «biologie synthétique», cette pratique a déjà connu des succès: la synthèse pas à pas du génome d’une bactérie (LT du 21.05.2010) et, plus récemment, la fabrication d’un chromosome fonctionnel de levure (LT du 28.03.2014). Une équipe de chercheurs en Californie vient de réussir à intégrer dans le génome d’une bactérie deux nouvelles «lettres», non naturelles, tolérées par la cellule et conservées après divisions successives. Une nouvelle étape franchie vers la création d’un organisme synthétique.

Les «lettres», ou bases, naturelles de l’ADN sont capables de se grouper pour former des paires: A-T et C-G. Les bases synthétiques utilisées dans cette étude, dX et dY, optimisées depuis 15 ans en laboratoire, n’existent pas dans la nature. «Nous voulons répondre à la question conceptuelle: est-il possible d’augmenter la quantité d’informations dans le génome en ajoutant de nouvelles lettres?» explique Floyd Romesberg, professeur de chimie à l’Institut Scripps, à San Diego, et principal investigateur des recherches publiées dans la revue Nature .

Dans une cellule, deux étapes sont critiques pour la conservation de l’information génétique et son expression sous forme de protéines fonctionnelles: la «réplication» qui copie l’ADN à chaque division cellulaire, et la «transcription» per­mettant la traduction des gènes en protéines. A chaque étape interviennent des enzymes qui copient l’ADN à l’identique, le réparent si besoin et le lisent. Les biochimistes avaient montré précédemment que dX et dY étaient reconnues par ces enzymes dans une éprouvette. «Nous étions prêts à passer in vivo, raconte Floyd Romesberg, c’est-à-dire dans une cellule vivante: la bactérie Escherichia Coli.»

Mais trois défis principaux se sont présentés. Tout d’abord, il fallait que dX et dY puissent rentrer dans la bactérie pour alimenter la copie de l’ADN quand celle-ci se multiplie. Les chercheurs ont donc modifié la cellule pour qu’elle possède à sa surface un transporteur qui fait passer les bases de l’extérieur à l’intérieur de la bactérie. Une idée «très ingénieuse», selon Martin Fussenegger, du Département de science et d’ingénierie des systèmes biologiques de l’Ecole polytechnique fédérale de Zurich, à Bâle.

Venait ensuite la question de la réplication. Les chercheurs californiens ont intégré une paire dX-dY dans le génome de la bactérie et ont observé que la machinerie cellulaire était capable de la reconnaître et de la copier. «Je trouve très intéressant de voir que ces bases alternatives sont répliquées in vivo sans perturber la cellule. La réplication est un mécanisme robuste très conservé au cours de l’évolution», observe Martin Fussenegger.

Par ailleurs, dX-dY ont passé avec succès le filtre d’enzymes de réparation contenues dans la cellule qui reconnaissent l’ADN endommagé et enlèvent les «mauvaises» bases.

Le bio-ingénieur bâlois confirme la primeur de ces résultats, mais critique aussi: «Je ne suis pas d’accord avec le titre de leur article qui prétend la création d’un organisme semi-synthétique. Ce n’est pas approprié car la bactérie est toujours la même. Un élément non naturel a été implanté, mais il n’y a pas de nouvelle fonction dans la cellule.»

Créer une fonction qui n’existe pas dans la nature en augmentant l’information génétique est bien le but, à long terme, des scientifiques californiens. L’idée étant d’ajouter au code génétique naturel de nouvelles combinaisons mélangeant A, C, T, G, dX et dY. «Nous étendons le code génétique naturel, nous n’en créons pas un nouveau. Nous ne voulons pas perturber le système naturel», explique Floyd Romesberg.

«Produire des protéines avec des nouvelles fonctions en changeant le code génétique a déjà été réalisé auparavant, précise Martin Fussenegger. Mais la valeur ajoutée de ce système serait sa sûreté. La bactérie créée ne peut pas survivre dans la nature où dX et dY n’existent pas.» Les auteurs d’ajouter: «En l’absence de bases synthétiques, l’ADN de la bactérie les perd et redevient naturel.»

Pourquoi vouloir créer de nouvelles protéines? Principalement pour obtenir des molécules thérapeutiques, selon Floyd Romesberg, qui est en train de créer une start-up. Mais Martin Fussenegger de préciser: «Pour cela, les outils doivent être fabriqués dans des cellules de mammifères. Or c’est beaucoup plus compliqué pour des raisons liées à leur structure et à l’expression de leur génome, qui sont plus complexes.» L’équipe de San Diego tente pour l’instant de reproduire ces résultats chez la levure.

«Créer des protéines fonctionnelles non naturelles pour obtenir de nouvelles molécules thérapeutiques»