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Sur le chemin d’une cellule artificielle

Sur le chemin d'une cellule artificielle

Dans son ouvrage ‘What is life’, le physicien Erwin Schroedinger définit le métabolisme de la manière suivante : ‘Comment un organisme vivant évite sa décadence ? La réponse évidente est : en mangeant, buvant respirant et (dans le cas des plantes) en assimilant. Le terme technique est métabolisme’. Le métabolisme constitue donc un ingrédient essentiel des systèmes vivants. C’est ce métabolisme qui distingue une cellule vivante d’un simple (micro-) réacteur chimique : tandis que les réactions chimiques se produisant dans un simple réacteur conduisent spontanément le système vers le minimum de son énergie libre, le métabolisme permet de maintenir le compartiment dans un état hors équilibre, loin de son minimum d’énergie. Cet état sera maintenu dans la cellule tant que les sources de nutriments sont disponibles et que ces nutriments peuvent être dégradés conduisant à une dissipation de l’énergie.

La construction d’une cellule vivante artificielle nécessite donc d’assembler et de contrôler le métabolisme au sein de microcompartiments. Dans une approche de biologie synthétique dite ‘bottom-up’, l’objectif est de construire une cellule à partir d’ingrédients contrôlés, connus et caractérisés puis assemblés de façon modulaire [2]. L’idée à long terme est d’obtenir un système complexe vivant mais ne fonctionnant pas comme une boite noire telle qu’une cellule. Le contrôle et la programmabilité possible de ses objets en feront à terme des systèmes intéressants au niveau industriel pour palier aux défauts des systèmes vivants dans la transformations des ressources et matières premières ou pour les transformations impliquant des composés non présents dans la nature.

La biologie Synthétique ‘bottom-up’ s’appuie donc sur une vision minimale de la cellule avec pour objectif de reproduire une ou plusieurs fonctions du vivant en s’autorisant l’utilisation de modules d’origines biologiques ou non. Dans cette approche, les modules élémentaires proviennent potentiellement de domaines variés. La chimie de la matière molle permet la formulation de compartiments, la physique de la matière molle permet la description et le contrôle des interactions entre éléments actifs, la biochimie fournit des catalyseurs spécifiques de réactions sous forme d’enzyme, et la biologie cellulaires des organelles simples ayant des fonctions spécifiques.

Ici, les auteurs abordent la question de l’intégration modulaire d’une fonction métabolique au sein d’une assemblée de micro-compartiments ayant la forme de gouttes d’eau dans l’huile. La production de ces micro-compartiments est effectuée en microfluidique, ce qui permet un contrôle fin de la taille de ses compartiments, mais égallement un contrôle de la composition de ces compartiments. Le métabolisme assemblé est minimal, basé sur une seule réaction catalysée par une enzyme. Cette réaction nécessite un co-facteur, le NADH un ingrédient essentiel dans les process cellulaires consommé par la réaction. Seule, cette réaction se produit dans le compartiment et le système atteint son équilibre rapidement en consommant le substrat jusqu’à disparition totale du substrat de la réaction ou du NADH. Les gouttes sont alors de simples micro-réacteurs. En revanche, lorsqu’on ajoute dans le système un module de régénération du NADH, la réaction est auto-entretenue et un niveau constant de NADH est obtenu à l’intérieur du compartiment. Le système est dans un état stable mais dissipe en permanence l’énergie chimique de la réaction : le système est donc maintenu hors équilibre. Une clef du système est donc le module de régénération du NADH qui est obtenu ici par extraction des vésicules impliquées dans la chaine respiratoire des bactéries Escherichia coli. En modulant la quantité de substrat ou la quantité des ces vésicules, l’état hors-équilibre est maintenu pendant des temps variables. L’utilisation de la microfluidique permet alors de produire des populations contrôlées de ces systèmes hors-équilibres, comme autant de briques élémentaires permettant de mettre en place des fonctions plus complexes ou de tester des hypothèses sur l’émergence de la vie.

Ce projet a été réalisé dans le cadre du Consortium Max Syn Bio [3] qui regroupe une dizaine d’Instituts Max Planck en Allemagne et le groupe de Jean-Christophe Baret au Centre de Recherche Paul Pascal. Il a égallement bénéficié du soutien d’un programme européen ERC (FP7/2007- 2013 /ERC Grant agreement 306385–SofI), de la ’Région Aquitaine’ et du Programme University of Bordeaux Initiative of Excellence (IDEX Bordeaux) (ANR-10-IDEX-03-02).

Publication correspondante

Out-of-equilibrium microcompartments for the bottom-up integration of metabolic functions, T. Beneyton, D. Krafft, C. Bednarz, C. Kleineberg, C. Woelfer, I. Ivanov, T. Vidakovic-Koch, K. Sundmacher & J.-C. Baret, Nature Communications, In press 2018.
DOI : 10.1038/s41467-018-04825-1

Bibliographie

[1] What is life ? The Physical Aspect of the Living Cell. Erwin Schroedinger (1944)

[2] Sequential bottom-up assembly of mechanically stabilized synthetic cells by microfluidics, M. Weiss, J. P. Frohnmayer, L. T. Benk, B. Haller, J.-W. Janiesch, T. Heitkamp, M. Boersch, R. B. Lira, R. Dimova, R. Lipowsky, E. Bodenschatz, J.-C. Baret, T. Vidakovic-Koch, K. Sundmacher, I. Platzman & J. P. Spatz, Nature Materials, 17, 89-96 (2018)

[3] MaxSynBio ‐ Avenues towards creating cells from the bottom up, P. Schwille, J. Spatz, K. Landfester, E. Bodenschatz, S. Herminghaus, V. Sourjik, T. Erb, P. Bastiaens, R. Lipowsky, A. Hyman, P. Dabrock, J.-C. Baret, T. Vidakovic-Koch, P. Bieling, R. Dimova, H. Mutschler, T. Robinson, D. Tang, S. Wegner & K. Sundmacher, Angewandte Chemie Int. Ed., in press 2018
http://dx.doi.org/10.1002/anie.201802288

Article publié dans Max-Planck-Gesellschaft Science Magazine

Article paru sur le site de l’Institut de Chimie.

Contact chercheur

Jean-Christophe Baret