Genome-wide engineering for synthetic auxotrophy biocontainment in yeast
Cette étude établit un système de bioconfinement hautement rigoureux pour *Saccharomyces cerevisiae* en criblant des milliers d'éditions génomiques afin d'identifier les sites optimaux pour l'auxotrophie synthétique, combinant finalement de multiples insertions de codons TAG avec un mécanisme de stabilité protéique conditionnel pour atteindre un fitness proche du type sauvage dans des conditions permissives tout en réduisant la fréquence d'échappement à 7,5×10⁻¹¹.
Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA d'un preprint qui n'a pas été évalué par des pairs. Ce n'est pas un avis médical. Ne prenez pas de décisions de santé basées sur ce contenu. Lire la clause de non-responsabilité complète
Imaginez un monde où nous pourrions programmer des cellules vivantes pour accomplir des tâches incroyables, de la dépollution de marées noires à la fabrication de médicaments vitaux. C'est la promesse de la biologie synthétique. Pourtant, la libération de ces microbes modifiés dans l'environnement ouvert comporte un risque important : et si ces derniers s'échappaient, se multipliaient et perturbaient les écosystèmes naturels ou transféraient leurs nouveaux traits à des parents sauvages ? Pour prévenir cela, les scientifiques développent des systèmes de « biocontention », qui sont essentiellement des interrupteurs de sécurité génétiques garantissant que ces organismes ne peuvent survivre que dans des conditions très spécifiques et contrôlées. Une stratégie prometteuse consiste à rendre le microbe dépendant d'un bloc de construction rare qui n'existe pas dans la nature. Si le microbe quitte le laboratoire pour entrer dans la nature, il ne pourra pas trouver cet ingrédient manquant et ne pourra tout simplement pas survivre.
Le défi, cependant, consiste à rendre cet interrupteur de sécurité robuste sans ralentir l'organisme lorsqu'il effectue sa tâche. Si le mécanisme de sécurité rend le microbe léthargique, il aura du mal à rivaliser, même en laboratoire, ou pire, il pourrait évoluer pour contourner l'interrupteur de sécurité afin de croître plus rapidement. Une équipe de chercheurs de l'Université de Manchester, de l'Université de Wageningen et d'Inscripta Inc. s'est donné pour mission de résoudre ce casse-tête chez la levure, un champignon unicellulaire commun largement utilisé dans l'industrie. Ils ont visé la création d'une souche de levure qui soit totalement inoffensive à l'extérieur du laboratoire car elle nécessite un acide aminé artificiel spécifique pour vivre, mais qui croît aussi vite qu'une levure normale lorsque cet acide aminé est fourni.
Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé une technique appelée expansion du code génétique. Dans tous les êtres vivants, les instructions de l'ADN sont lues par groupes de trois lettres, appelés codons, qui indiquent à la cellule quel acide aminé ajouter à une protéine. L'un de ces codons, généralement appelé signal d'« arrêt », indique à la cellule d'arrêter la construction de la protéine. L'équipe a remplacé ce signal d'arrêt par une nouvelle instruction qui ne fonctionne que si un acide aminé artificiel spécifique est présent. Ils ont inséré cette instruction modifiée dans des gènes essentiels — des gènes si critiques que si leur fonctionnement s'arrête, la levure meurt. En présence de l'acide aminé artificiel, la machinerie de la levure ignore le signal d'arrêt et construit une protéine complète et fonctionnelle. Sans l'acide aminé, la machinerie s'arrête prématurément, créant une protéine brisée et inutile, et la levure meurt.
La difficulté réside dans le choix de l'endroit exact où placer ce signal d'arrêt. Si l'emplacement est incorrect, la levure pourrait mourir même en présence de l'acide aminé, ou elle pourrait survivre sans lui parce que la protéine brisée fonctionne suffisamment bien. Pour trouver les emplacements parfaits, les chercheurs n'ont pas deviné ; ils ont testé des milliers de possibilités simultanément. Ils ont créé une immense bibliothèque de cellules de levure, où chaque cellule portait une version différente d'un gène essentiel avec le signal d'arrêt placé à un endroit différent. Ils ont utilisé un système robotisé à haute vitesse pour effectuer ces modifications sur près de 400 protéines essentielles différentes.
L'équipe a ensuite cultivé ces milliers de variantes de levure dans deux conditions : l'une avec l'acide aminé artificiel et l'autre sans. En suivant quelles versions génétiques survivaient et lesquelles disparaissaient dans chaque environnement, ils ont pu identifier les interrupteurs de sécurité les plus efficaces. Ils ont découvert que le succès de l'interrupteur dépendait fortement de l'emplacement spécifique du changement et de la séquence génétique environnante, plutôt que de la quantité de protéine que la cellule produit habituellement. Curieusement, ils ont découvert que les gènes impliqués dans le traitement des messages génétiques (l'épissage de l'ARN) étaient des candidats particulièrement intéressants pour ce type d'interrupteur de sécurité.
Bien qu'ils aient trouvé de nombreux interrupteurs individuels fonctionnels, aucun n'était parfait en soi. Certains empêchaient la levure de trop bien croître, tandis que d'autres n'étaient pas assez stricts, permettant à quelques cellules rebelles de survivre sans l'acide aminé. Pour résoudre cela, les chercheurs ont combiné plusieurs interrupteurs. Ils ont découvert que placer deux signaux d'arrêt dans un seul gène essentiel, spécifiquement dans un gène appelé PRP5, créait une barrière de sécurité beaucoup plus stricte. Cette souche à double interrupteur ne pouvait pas échapper facilement au système de sécurité, avec seulement environ 2 cellules sur 100 000 parvenant à survivre sans l'acide aminé.
Pour pousser la sécurité encore plus loin, l'équipe a superposé cette dépendance à l'acide aminé avec un second système de sécurité complètement différent. Ce second système reposait sur une protéine qui se désintègre à moins qu'une hormone spécifique ne soit présente. En combinant l'exigence de l'acide aminé avec cet interrupteur de stabilité protéique, ils ont créé une souche de levure dotée d'un niveau de sécurité incroyablement élevé. Dans leurs tests, la probabilité que cette levure à double verrouillage s'échappe pour survivre dans la nature était si faible qu'elle était presque indétectable, estimée à moins de 1 sur 10 milliards. Remarquablement, cette sécurité extrême ne s'est pas faite au détriment de la performance ; dans le laboratoire, avec les ingrédients requis présents, ces cellules de levure ultra-sécurisées croissaient aussi vite et aussi sainement que la levure sauvage normale.
Ce travail démontre qu'il est possible de construire des organismes eucaryotes — des cellules complexes comme la levure et les cellules humaines — dotés de systèmes de sécurité qui sont à la fois extrêmement stricts et qui ne freinent pas leur capacité à fonctionner. En sélectionnant soigneusement où placer les changements génétiques et en superposant différents mécanismes de sécurité, les chercheurs ont jeté les bases d'une nouvelle génération de biocontention. Cette approche offre un moyen d'utiliser des microbes modifiés dans des environnements ouverts avec confiance, sachant que s'ils quittent jamais le laboratoire, ils seront tout simplement incapables de survivre.
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