Autonomous Homeostatic Synthetic Cells via Self-Gating DNA Nanopores

La vie, sous toutes ses formes, du plus petit des bactéries à la plus grande des baleines, partage un secret fondamental : la capacité de rester la même alors que tout ce qui l'entoure change. Cette stabilité interne est appelée l'homéostasie. C'est la raison pour laquelle votre corps maintient une température constante même lorsque la météo change, ou pourquoi vos taux de glycémie restent équilibrés après un repas. Les êtres vivants parviennent à cela non pas en étant statiques, mais en détectant constamment leur état interne et en effectuant de minuscules ajustements automatiques. Ils détectent lorsqu'une substance chimique est trop élevée et ralentissent sa production, ou détectent lorsqu'elle est trop basse et l'accélèrent. Ce délicat jeu d'équilibre est ce qui permet à la vie de perdurer. Pour les scientifiques qui tentent de construire une vie artificielle à partir de zéro, créer un système capable de faire cela de manière autonome a été l'un des défis les plus difficiles. La plupart des cellules artificielles sont comme des pièces fermées ; une fois que les ingrédients à l'intérieur sont épuisés, les réactions s'arrêtent et le système meurt. Elles manquent de la capacité d'attirer du carburant frais du monde extérieur et de réguler cette absorption en fonction de ce qui se passe à l'intérieur.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Surrey et de l'University College London a maintenant construit une minuscule cellule artificielle capable de faire exactement cela. Ils ont créé une bulle microscopique capable de détecter sa propre chimie interne et d'ajuster automatiquement la quantité de carburant qu'elle laisse entrer pour maintenir son activité constante. Ce système, décrit dans une étude récente, utilise une combinaison ingénieuse de structures d'ADN et d'enzymes pour créer une boucle d'autorégulation. Les chercheurs n'ont pas seulement observé ce phénomène ; ils ont fabriqué les composants, les ont assemblés à l'intérieur d'une bulle lipidique et ont observé le système maintenir un état stable pendant seize heures, une durée remarquablement longue pour une construction synthétique aussi simple.

La cellule artificielle qu'ils ont construite est une vésicule unilamellaire géante, qui est essentiellement une grande sphère creuse composée d'une seule couche de molécules de graisse, similaire à la membrane d'une cellule réelle. À l'intérieur de cette bulle, les chercheurs ont placé la machinerie nécessaire pour fabriquer de l'ARN, une molécule qui agit comme un messager et un travailleur dans les systèmes biologiques. Ils ont également ajouté un système pour décomposer l'ARN. L'innovation critique, cependant, réside dans la peau de la bulle. Les chercheurs ont intégré de minuscules structures tubulaires faites d'ADN dans la membrane. Ces tubes d'ADN agissent comme des portes ou des pores, permettant à de petites molécules de passer. Plus précisément, ils permettent aux nucléotides triphosphates de ribose, ou rNTPs, de circuler de l'environnement extérieur vers l'intérieur de la bulle. Ces rNTPs sont les briques élémentaires dont la cellule a besoin pour fabriquer de l'ARN.

Le génie de la conception réside dans la manière dont la cellule contrôle ce flux. Les pores d'ADN ne sont pas ouvert de façon permanente ; ils peuvent être obstrués. Les chercheurs ont programmé le système de sorte que, lorsque la cellule produit de l'ARN, elle produit également un type spécifique de brin d'ARN qui agit comme un bloqueur. À mesure que la cellule produit plus d'ARN, ces brins bloqueurs s'accumulent et bouchent physiquement les pores d'ADN, stoppant ainsi le flux de nouveaux rNTPs. Cela crée une boucle de rétroaction négative : plus la cellule travaille, plus elle coupe son propre approvisionnement en carburant. Cependant, le système n'est pas conçu pour rester fermé. À l'intérieur de la bulole, une enzyme appelée RNase décompose lentement les bloqueurs d'ARN. À mesure que les bloqueurs sont dégradés, les pores se rouvrent, permettant l'entrée de nouveaux rNTPs et le redémarrage du cycle. Ce cycle continu d'ouverture, de fermeture et de réouverture permet à la cellule de maintenir un niveau constant et stable de production d'ARN, quel que soit le carburant disponible à l'extérieur.

Pour prouver que ce système fonctionnait, les chercheurs ont d'abord testé les pores d'ADN seuls. Ils ont chargé les bulles avec un colorant rouge et les ont placées dans une solution contenant un colorant vert. Lorsque les pores étaient ouverts, le colorant rouge s'échappait et le colorant vert entrait, confirmant que les pores étaient fonctionnels. Ils ont ensuite démontré qu'ils pouvaient arrêter ce flux en ajoutant des brins bloqueurs, fermant ainsi les portes de manière efficace. Ensuite, ils ont démontré que les pores pouvaient laisser entrer suffisamment de rNTPs pour alimenter la machinerie interne de fabrication d'ARN. Lorsqu'ils ont ajouté un marqueur fluorescent qui s'illumine uniquement lorsqu'il est lié au nouvel ARN produit, les bulles dotées de pores ouverts brillaient intensément, tandis que celles dotées de pores bloqués restaient sombres.

Le test final et le plus significatif consistait à voir si l'ensemble du système pouvait maintenir l'homéostasie. Les chercheurs ont placé les cellules entièrement assemblées dans une solution contenant des rNTPs et les ont observées au fil du temps. Dans les cellules où les pores étaient ouverts en permanence, la production d'ARN augmentait jusqu'à épuisement des ressources ou devenait chaotique. Dans les cellules où les pores étaient fermés en permanence, la production d'ARN s'arrêtait presque immédiatement. Mais dans les cellules dotées de pores d'ADN autorégulés, les niveaux d'ARN augmentaient jusqu'à un certain point puis y restaient, stables et constants, pendant seize heures. Le système ajustait automatiquement le flux de carburant pour correspondre au taux auquel l'ARN est décomposé, créant un équilibre parfait.

Les chercheurs ont également montré qu'ils pouvaient ajuster cet équilibre. En ajoutant un brin d'ADN spécifique qui agit comme un « seuil », ils pouvaient capturer certains des bloqueurs d'ARN avant qu'ils n'atteignent les pores. Cela signifiait que les pores restaient ouverts plus longtemps, permettant l'entrée de plus de carburant et entraînant un niveau stable plus élevé de production d'ARN. Cette capacité à définir le niveau cible d'activité sans reconstruire l'ensemble du système suggère un haut degré de contrôle. L'étude démontre qu'en combinant le transport, l'expression génique et la dégradation en une seule boucle de rétroaction, il est possible de créer une cellule synthétique qui se comporte comme un organisme vivant, maintenant sa stabilité interne dans un monde changeant. Ce travail fournit un modèle pour la construction de matériaux plus complexes et adaptatifs, ainsi que de cellules artificielles capables de fonctionner pendant des périodes prolongées sans intervention humaine.