L’autoreproduction des cellules vivantes est une propriété unique de la matière. Ce mécanisme est très compliqué à comprendre car une cellule naît d’une autre cellule, comme l’a observé R. Virchow en 1859 : « omnis cellula e cellula » [1]. À ce jour, aucune cellule rudimentaire n’a été découverte qui puisse nous renseigner sur les mécanismes primitifs de la réplication de cellules programmées par l’ADN. Une façon de comprendre la logique de l’autoreproduction est d’essayer de construire une cellule synthétique à partir des molécules ou des machineries moléculaires de cellules simples comme les bactéries. Ce type de projet très ambitieux est devenu techniquement concevable ces deux dernières décennies avec, en particulier, les progrès de la biologie moléculaire (synthèse et séquençage de l’ADN) et de la physique de la matière molle (physique des amphiphiles¹, mécanique de la cellule). Il est aujourd’hui envisageable d’assembler des molécules biologiques avec l’objectif de fabriquer une vésicule lipidique capable de se diviser et de grossir dans le temps [2, 3]. Ce domaine de recherche doit fournir des informations sur la logique de l’autoreproduction tant sur le point biologique que physique. C’est aussi une aire de recherche multidisciplinaire propice au développement de nouvelles technologies, en particulier pour les biotechnologies et la médecine. La construction de cellules synthétiques, par exemple, peut aider à la mise au point de nouveaux senseurs membranaires et servir de véhicule pour l’administration de médicaments.

Plus généralement, la synthèse de processus biochimiques in vitro est une méthode utile à la compréhension des systèmes complexes codés par des réseaux biologiques. Ce type d’approche permet de saisir, par construction, le lien coopératif entre les machines moléculaires formant les cellules vivantes, et de caractériser le répertoire et les réseaux biochimiques trouvés en biologie. L’objectif est aussi de développer une connaissance quantitative du vivant et d’étendre les propriétés des systèmes naturels. La construction de réseaux biochimiques acellulaires à partir de protéines, d’ADN et d’autres cofacteurs biochimiques est un sujet de plus en plus populaire [4]. Dans cette ligne de recherche, l’un des projets les plus ambitieux est la fabrication d’une cellule à partir de molécules.

On peut dégager trois démarches expérimentales pour assembler des cellules synthétiques en partant des composantes moléculaires, et ce malgré un vocabulaire souvent confus : cellule artificielle, cellule minimale, protocellule, semi-cellule, cellule réduite, coacervat (gouttelette contenant un colloïde riche en composés organiques, et entourée d’une membrane de molécules amphiphiles), cellular imitations, cellule partielle et autre jargons font ainsi partie des dénominations rencontrées [5–12].

L’approche protocellule explore l’origine de la vie à travers la construction de cellules faites de molécules prébiotiques. Les protocellules les plus simples ne contiennent pas d’information génétique et sont seulement fondées sur le métabolisme et l’auto-assemblage [13]. La membrane est composée d’acides gras qui, par exemple, ont été retrouvés dans des fragments de météorite [14]. Les protocellules plus sophistiquées, dépourvues de machines moléculaires complexes, incorporent des peptides ou de l’ARN comme information. L’objectif est d’établir des scénarios d’émergence de la vie cellulaire dans des conditions prébiotiques, de la formation de compartiments microscopiques à leur croissance et reproduction [15, 16].

La cellule artificielle consiste à mettre ensemble des molécules naturelles et synthétiques pour concevoir des compartiments microscopiques programmés pour des fonctions spécifiques. En utilisant des éléments artificiels, cette approche a aussi pour objectif d’étendre les propriétés des systèmes naturels [17]. Par exemple, la membrane des polymersomes (compartiment de taille cellulaire dont la membrane est faite de copolymères à blocs²) est beaucoup plus robuste que les bicouches lipidiques naturelles [18–21]. Ces compartiments sont utilisés comme transporteurs de molécules et servent aussi de microréacteurs. De nombreuses applications de ces polymersomes sont développées, notamment pour l’administration de médicaments [22].

Enfin, et c’est l’objet de cette revue, la construction de cellules dites minimales cherche à faire avancer notre connaissance de l’autoreproduction cellulaire par l’assemblage de compartiments microscopiques composés de molécules naturelles, le tout codé par un génome ADN le plus petit possible pour la reproduction du compartiment [11, 12]. L’approche par le bas cherche à révéler les liens coopératifs entre les trois blocs moléculaires nécessaires à l’autoreproduction [13] : l’information ADN, le métabolisme et l’auto-organisation (comme la membrane et le cytosquelette). Il va de soi qu’une cellule minimale est un système fragile construit en laboratoire dans des conditions idéales.

Il est important de mentionner l’approche par le haut qui consiste à réduire le génome d’un organisme au minimum tout en restant autoreproductif. Dans ce domaine, c’est au Craig Venter Institute que l’on doit des avancées majeures. Cet institut a montré que le génome de la bactérie Mycoplasma genitalium, l’un des plus petits génomes connus, pouvait être entièrement reconstruit in vitro en utilisant des méthodes de clonage nouvelles, et ensuite être utilisé pour reformer une cellule capable de se reproduire [23, 24].

Comment la théorie peut-elle aider à construire une cellule minimale capable de se reproduire ? Devant la complexité des cellules vivantes, même des plus petites bactéries, on peut se demander comment procéder pour en construire une à partir des molécules prises séparément. Chose étonnante, la logique de l’autoreproduction des automates développée par Von Neumann aide à simplifier la vision du fonctionnement d’une cellule vivante [25]. Von Neumann a été le premier à imaginer qu’un automate capable de se reproduire, doit posséder une bande linéaire contenant les informations, autrement dit l’ADN génomique. Les trois autres parties de l’automate ont aussi des équivalents bien spécifiques dans les cellules vivantes : la transcription-traduction (le constructeur universel), la réplication de l’ADN (le copieur) et la régulation de ces fonctions (le contrôleur). Ce qui est remarquable, c’est que ce modèle théorique ait été développé avant la découverte de l’ADN et des autres machines moléculaires [26] (→).

(→) Voir l’article d’Antoine Danchin, m/s n° 5, mai 2008, page 533

Bien qu’utile pour comprendre la logique de l’information trouvée dans les cellules vivantes, l’architecture des automates autoreproductifs ne saisit pas entièrement l’essence de la vie unicellulaire, loin de là. Une cellule ne se résume pas à un programme ADN.

La construction de cellules synthétiques « par le bas » est confrontée à des questions fondamentales sur les processus non génétiques. Par exemple, d’un point de vue physique, l’assemblage de protéines en structures actives, l’entropie à travers l’encombrement moléculaire [27], les brisures de symétrie à des échelles microscopiques [28] et les différentes phases liquide-solide que les bicouches lipidiques peuvent adopter [29] sont des mécanismes essentiels aux cellules vivantes que la construction de cellules peut éclairer. De même, les questions et contraintes liées au métabolisme ne sont pas abordées dans le modèle de Von Neumann. Un apport continu de composants de base (nucléotides, acides aminés) est nécessaire aux fonctions les plus basiques des cellules, même avant de récapituler l’autoreproduction. À l’inverse, l’élimination de produits moléculaires dérivés de ce métabolisme est toute aussi importante. L’accumulation de produits issus de l’hydrolyse de l’ATP, par exemple, inhibe rapidement l’activité des enzymes utilisant cette source d’énergie chimique par le principe de charge énergétique en adénylates, définie comme l’énergie métabolique potentielle stockée par un organisme, ou en d’autres termes, comme la charge d’une batterie ([ATP + 0,5 ADP] / ATP) + ADP + AMP [30]. L’activité des enzymes qui utilisent l’ATP dépend exponentiellement de la charge énergétique. En présence d’ATP seulement, une réaction biochimique est chargée à 100 % (la charge énergétique est égale à 1). En l’absence d’ATP, la charge énergétique est zéro. La construction d’une cellule synthétique capable de se reproduire n’a pas encore été accomplie, mais c’est un problème difficile et stimulant dès les premières étapes qui nécessite aussi le développement d’un milieu extérieur adapté (nutriments, balance de la pression osmotique, etc.).

La construction d’une cellule minimale consiste à incorporer, dans une vésicule lipidique, les machines moléculaires nécessaires à l’expression d’un génome ADN réduit, qui code pour les protéines nécessaires aux fonctions essentielles à l’autoreproduction de la cellule synthétique. Dans les premières étapes de construction, les substances nutritives de base (acides aminés, nucléotides) sont ajoutées directement dans la solution.

L’approche adoptée par la plupart des groupes travaillant sur ce sujet consiste à intégrer trois blocs moléculaires (Figure 1) correspondant aux trois processus fondamentaux : l’information ADN (génome minimal), le métabolisme (substances nutritives de base, régénération de l’énergie chimique sous forme d’ATP et de GTP) et la compartimentation (membrane lipidique et auto-assemblage de structures actives nécessaires à l’autoreproduction) [3, 13]. Pris séparément, ces trois ensembles ont déjà fait l’objet de progrès importants tant sur le plan technique que dans la compréhension de leurs mécanismes. C’est l’intégration et la connexion de ces trois blocs pour construire un compartiment stable physiquement – la cellule minimale – et capable de se reproduire, qui représentent les obstacles principaux [31].

Figure 1. Construction d’une cellule minimale par l’intégration de l’information, métabolisme, et auto-assemblage. Des tâches essentielles à accomplir sont indiquées pour chaque bloc. Pour l’information : le développement de systèmes d’expression acellulaire plus performants est une quête permanente. La synthèse de circuits et régulations génétiques aux fonctionnements prévisibles, et la réplication de l’ADN, sont des étapes clés qui restent à réaliser. Métabolisme : des progrès ont été effectués pour la régénération de l’ATP, mais des métabolismes plus performants doivent être mis au point pour construire une cellule synthétique robuste sur le plan de l’énergie chimique. La synthèse de phospholipides pour la croissance membranaire est indispensable. Le milieu extérieur dans lequel les liposomes sont créés doit être adapté aux ressources nécessaires, surtout dans les premières étapes de développement. Auto-assemblage : des cytosquelettes actifs pour la division et la forme asymétrique des liposomes doivent être construits, tout comme une membrane fonctionnelle intégrant des canaux pour réguler les échanges intérieur/extérieur et la pression osmotique. Les fonctions métaboliques et d’auto-assemblage doivent être programmées par le bloc information, à travers des régulations génétiques simples. TX-TL : transcription-traduction.

Figure 1. Construction d’une cellule minimale par l’intégration de l’information, métabolisme, et auto-assemblage. Des tâches essentielles à accomplir sont indiquées pour chaque bloc. Pour l’information : le développement de systèmes d’expression acellulaire plus performants est une quête permanente. La synthèse de circuits et régulations génétiques aux fonctionnements prévisibles, et la réplication de l’ADN, sont des étapes clés qui restent à réaliser. Métabolisme : des progrès ont été effectués pour la régénération de l’ATP, mais des métabolismes plus performants doivent être mis au point pour construire une cellule synthétique robuste sur le plan de l’énergie chimique. La synthèse de phospholipides pour la croissance membranaire est indispensable. Le milieu extérieur dans lequel les liposomes sont créés doit être adapté aux ressources nécessaires, surtout dans les premières étapes de développement. Auto-assemblage : des cytosquelettes actifs pour la division et la forme asymétrique des liposomes doivent être construits, tout comme une membrane fonctionnelle intégrant des canaux pour réguler les échanges intérieur/extérieur et la pression osmotique. Les fonctions métaboliques et d’auto-assemblage doivent être programmées par le bloc information, à travers des régulations génétiques simples. TX-TL : transcription-traduction.

Les systèmes de production de protéines in vitro sont devenus récemment des plates-formes expérimentales utiles au développement de la biologie synthétique [43]. À l’origine, ces systèmes ont été développés pour déchiffrer le code génétique [44]. Dans les années 1980 et 1990, l’utilisation de kits de production de protéines in vitro s’est généralisée pour l’expression simple de protéines hors cellule. Au cours de ces dix dernières années, cette technologie est devenue une plateforme expérimentale pour la construction de systèmes biochimiques in vitro à des échelles très variées : de l’évolution de protéines à la construction de réseaux génétiques [4]. Ces systèmes sont aussi particulièrement bien adaptés à la construction de cellules minimales puisqu’ils contiennent les machines moléculaires nécessaires à la transcription et la traduction. Les kits commerciaux permettent de produire 1 mg/ml de protéines dans un tube à essai en quelques heures, ce qui correspond à une concentration de 30 µm de protéine comme l’eGFP (enhanced green fluorescent protein). La concentration moyenne de protéines cytoplasmiques chez E. coli est d’environ 0,5 µm [45]. Par conséquent, une cinquantaine de gènes peuvent être exprimés avec ces kits à des concentrations pertinentes biologiquement. La synthèse récente de phages fonctionnels comme T7 (40 kbp, 60 gènes) est une démonstration de ce niveau d’expression. Des auto-assemblages biologiques complexes programmés par l’ADN peuvent désormais être réalisés dans des tubes à essais (Figure 2A, B) [46]. Au regard de ce résultat, la construction de réseaux génétiques synthétiques in vitro reste limitée mais elle progresse rapidement (Figure 2C, D) [47, 48].

Figure 2. Synthèse de phage et circuit génétique avec un système d’expression acellulaire. A. Image de microscopie électronique de la synthèse du phage T7 dans un tube à essai, image adaptée de [40]. B. Transcription (TX), traduction (TL), réplication de l’ADN génomique et auto-assemblage ont lieu simultanément, images adaptées de [40]. C. Schéma d’un circuit génétique composé de quatre cascades de transcription utilisant des facteurs de transcription d’E. coli (σ38, σ19, σ28, la T7 ARN polymérase, de promoteurs respectifs P70, P38, P19 et P28 et la protéine rapporteur, eGFP [green fluorescent protein], exprimée en dernier). La transcription commence par le promoteur P70 avec un facteur de transcription présent dans la solution (σ70), schéma adapté de [41]. D. La réponse de ce circuit est spécifique quand les ARN messagers synthétisés ont une durée de vie moyenne ajustée à six minutes. Quand l’une des cascades est absente, la eGFP n’est pas exprimée (images adaptées de [41]).

Figure 2. Synthèse de phage et circuit génétique avec un système d’expression acellulaire. A. Image de microscopie électronique de la synthèse du phage T7 dans un tube à essai, image adaptée de [40]. B. Transcription (TX), traduction (TL), réplication de l’ADN génomique et auto-assemblage ont lieu simultanément, images adaptées de [40]. C. Schéma d’un circuit génétique composé de quatre cascades de transcription utilisant des facteurs de transcription d’E. coli (σ38, σ19, σ28, la T7 ARN polymérase, de promoteurs respectifs P70, P38, P19 et P28 et la protéine rapporteur, eGFP [green fluorescent protein], exprimée en dernier). La transcription commence par le promoteur P70 avec un facteur de transcription présent dans la solution (σ70), schéma adapté de [41]. D. La réponse de ce circuit est spécifique quand les ARN messagers synthétisés ont une durée de vie moyenne ajustée à six minutes. Quand l’une des cascades est absente, la eGFP n’est pas exprimée (images adaptées de [41]).

Le développement de systèmes d’expression encore plus puissants est nécessaire à la construction de cellules minimales. De tels travaux sont bénéfiques pour de nouvelles applications in vitro comme la production de molécules thérapeutiques telles que des vaccins [49, 50]. L’une des clés du développement de ce type de recherche réside dans la création de nouvelles voies métaboliques afin de stimuler et accroître l’expression in vitro. Les systèmes les plus récents utilisent des sources carbone (glucose, maltose) pour assurer la régénération de l’ATP, ce qui permet d’atteindre un taux de 2 mg/ml de protéines produites [51].

L’expression acellulaire de gènes dans des liposomes a été réalisée mais ces expériences ne concernent que quelques gènes rapporteurs. L’encapsulation de ces réactions complexes est compliquée. À cela s’ajoute l’hétérogénéité de l’encapsulation, et donc de l’expression, d’un liposome à l’autre, quelle que soit la méthode utilisée [52, 53]. Au-delà de l’encapsulation, la construction d’une membrane active est un défi. Des progrès importants ont été réalisés dans l’expression acellulaire de protéines membranaires, une aubaine pour la construction de cellules minimales [54]. Cependant, la création d’une membrane vraiment fonctionnelle, capable de filtrer les substances de base et de répondre à des contraintes physiques ou biochimiques, n’est pas encore une réalité. Des étapes importantes ont déjà été franchies, comme l’insertion de canaux dans les membranes et la polymérisation d’un cytosquelette (Figure 3) [55–57].

Figure 3. Expression acellulaire de canaux membranaires et cytosquelette dans des liposomes. Les circuits génétiques sont montrés au-dessus. A. Expression du canal membranaire alpha-hémolysine (AH) marquée avec la eGFP en utilisant un promoteur T7, images extraites de [41]. B. Expression de la protéine MreB d’E. coli (MreB et MreB marquée avec la yellow fluorescent protein [YFP]) avec ou sans MreC. MreB forme un cytosquelette (filaments) attaché à la membrane, seulement quand MreC est aussi exprimée. Un marqueur fluorescent rouge est ajouté pour marquer uniformément l’intérieur des liposomes (images extraites de [49]).

Figure 3. Expression acellulaire de canaux membranaires et cytosquelette dans des liposomes. Les circuits génétiques sont montrés au-dessus. A. Expression du canal membranaire alpha-hémolysine (AH) marquée avec la eGFP en utilisant un promoteur T7, images extraites de [41]. B. Expression de la protéine MreB d’E. coli (MreB et MreB marquée avec la yellow fluorescent protein [YFP]) avec ou sans MreC. MreB forme un cytosquelette (filaments) attaché à la membrane, seulement quand MreC est aussi exprimée. Un marqueur fluorescent rouge est ajouté pour marquer uniformément l’intérieur des liposomes (images extraites de [49]).

La réalisation de fonctions plus complexes comme la division ou la réplication de l’ADN semble encore lointaine. L’utilisation de compositions phospholipidiques plus variées que la seule phosphatidylcholine (PC) pour la fabrication de liposomes, doit mettre en lumière l’importance de la membrane dans la formation de phases lipidiques essentielles pour l’auto-organisation et la brisure de symétrie à des échelles de quelques micromètres. Le travail fait sur les liposomes et l’expression acellulaire favorise le développement de méthodes utiles pour les biotechnologies comme par exemple le liposome display (affichage sur liposome) qui permet de suivre l’évolution et la sélection de protéines membranaires [58].

La synthèse « par le bas » d’une cellule minimale est encore un objectif lointain mais des avancées significatives sont faites en ce qui concerne les trois composantes moléculaires qui forment ce puzzle complexe. Ce domaine de recherche favorise le développement d’approches quantitatives et de plates-formes expérimentales pour la biologie acellulaire. La construction d’une cellule minimale à partir de molécules est aussi un terrain de jeu formidable pour la recherche multidisciplinaire, de la physique molle à l’ingénierie métabolique, et de la génomique à la théorie des automates cellulaires. De nouvelles méthodes comme l’apprentissage par la machine, le haut débit et la microfluidique semblent nécessaires pour accélérer la construction et la compréhension de systèmes biochimiques complexes in vitro qui bénéficieront aux biotechnologies et à la médecine.

L’auteur déclare n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.

Je remercie Albert Libchaber pour ces commentaires sur le manuscrit et nos discussions sur les cellules synthétiques. Je remercie Marie-France Mercier, Claude Noireaux et Danielle Coustillet pour leur travail minutieux de relecture de l’article.