Les génomes des êtres vivants possèdent des tailles très diverses : l’ADN humain contient environ 20 000 gènes formés par près de 3 milliards de paires de bases, ce qui est bien peu comparé à Paris japonica, une plante herbacée du Japon, qui comptabilise 150 milliards de paires de bases. À l’inverse, certaines bactéries possèdent tout au plus quelques milliers de gènes.
D'où la question qui interpelle les généticiens depuis plusieurs dizaines d’années : combien de gènes sont nécessaires pour produire une cellule viable capable de se répliquer ? C’est une partie de cette énigme que l’équipe de Craig Venter, co-fondateur de l’Institut qui porte son nom, à La Jolla, en Californie, a résolue : elle a synthétisé une cellule capable de se répliquer avec seulement 473 gènes.
C'est une étape importante de la biologie de synthèse, un domaine de recherche dont l'un des objectifs est de construire de nouveaux systèmes biologiques pour comprendre les mécanismes du vivant. De nombreuses équipes se sont lancées dans la quête d’un génome minimal. Pour Craig Venter et son équipe, l’aventure a commencé en 1995, lorsqu’ils ont séquencé le génome de Mycoplasma genitalium, une bactérie vivant dans le conduit urinaire humain et qui ne présente que 517 gènes. Il s’agit d’un des organismes capables de s’autorépliquer doté du plus petit génome (l’ADN d’un virus peut être encore plus petit, mais le virus doit parasiter une cellule et en détourner les fonctions pour se répliquer).
En 2010, l’équipe de Craig Venter était parvenue à synthétiser une réplique du génome de Mycoplasma mycoides (un parasite des ruminants qui a l’avantage pour les chercheurs de se répliquer plus vite que M. genitalium) et le substituer au matériel génétique d’une cellule d’une autre espèce de mycoplasme. Le génome artificiel, avec 901 gènes, était une copie quasi fidèle d’un génome existant dans la nature, mais cette expérience a démontré la possibilité de synthétiser chimiquement à grande échelle de l’ADN et de l’injecter dans une cellule pour produire un organisme viable. Les chercheurs ont ensuite utilisé ce génome de synthèse comme base pour déterminer les gènes indispensables ou superflus à la vie de la cellule.
Les chercheurs ont d’abord sélectionné et inactivé eux-mêmes les gènes qui leur semblaient inutiles, à partir des connaissances sur le fonctionnement de la cellule, mais l’approche s’est révélée inefficace. L’équipe a donc opté pour une voie différente, la méthode « essai et erreur ». Les biologistes ont coupé le génome de M. mycoides en 8 segments de tailles similaires, qui pouvaient être assemblés selon différentes combinaisons, partielles ou complètes. En testant alors la viabilité de la cellule avec le génome recombiné, les chercheurs ont éliminé, par essais successifs, les gènes non indispensables.
Le résultat final est une cellule de synthèse, nommée JCVI-syn3.0, comprenant 473 gènes. Parmi eux, 41 % participent à l’expression du génome, 18 % à la structure et aux fonctions de la membrane, 17 % au métabolisme et 7 % à la préservation de l’information génétique. Certains gènes ont pu être classés grâce à l’étude de leur structure, mais la fonction de 149 gènes reste inconnue, ce qui représente près d’un tiers du matériel génétique !
Ces gènes sont pourtant nécessaires : sans eux, la cellule n’est pas viable. Pour Jack Szostak, biochimiste à l’Université Harvard, « le plus intéressant dans ce résultat est tout ce que nous ne savons pas ».
Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash
