La cellule artificielle/ the synthetic cell

Séminaire FSER organisé par Manuel Théry du 6 au 10 Décembre 2021.

Participants

Jean-Christophe Baret (Université de Bordeaux, CNRS), Patricia Bassereau (Institut Curie, Paris), Aude Bernheim (INSERM, Paris), Laurent Blanchoin (CNRS, Cytomorpholab, Grenoble), Lucile Bokobza (Centre de Recherche Interdisciplinaire, Paris), Jean-Baptiste Boulé (MNHN, Paris), Matthieu Coppey (CNRS, Institut Curie, Paris), Damien Coudreuse (CNRS, Institut Génétique et Développement de Rennes), Nicolas Desprat (Université de Paris, Ecole Normale supérieure), Giovanni Finazzi (CNRS, Paris), Simonetta Gribaldo (Institut Pasteur, Paris), Zoher Gueroui (CNRS, ENS, Paris), Julien Mozziconacci (MNHN, StrInG, Paris), Matthieu Piel (CNRS, Institut Curie, Paris), Lea-Laetitia Pontani (UPMC, Paris), Bianca Sclavi (CNRS, Université de La Sorbonne, Paris), Manuel Théry (CEA, Institut Universitaire d’Hématologie, Paris) Hervé Turlier (CNRS, CIRB, Paris).

Résumé

Chaque cellule vient d’une cellule. La vie est ainsi faite. Mais ce principe pourrait-il être contredit ? Pourrions-nous construire une cellule de toutes pièces, à partir de composants de synthèse ? En sommes-nous capables ? Et quand bien même nous le serions, serait-ce une bonne chose ? Cela aurait-il un sens ou ne serait-ce que la satisfaction de notre appétit démiurgique ?

Notre société va certainement faire face à une période de questionnement intense, en tous cas nous le lui souhaitons, car c’est de notre relation au vivant qu’il s’agit. Il serait bon de s’atteler à la tache car les prémices de ces activités scientifiques sont déjà visibles. Elles apparaissent ici et là de façon dépareillée et non concertée. Or pour que la société ait les éléments nécessaires à sa réflexion il nous semble nécessaire de lui offrir une vue d’ensemble. Pas seulement une liste des premières réalisations techniques mais une suggestion de plan de travail qui illustrerait la logique qui serait au cœur d’un tel projet. Pendant une semaine nous avons accepté de jouer le jeu et tenté de nous projeter dans la conception de ce que pourrait être aujourd’hui le projet de construction d’une cellule artificielle.

Summary

Every cell comes from a cell. That’s the way life goes. But could this principle be contradicted? Could we build a cell from scratch, from synthetic components? Can we? And even if we were able to do it, would that be a good thing? Would that make sense or would it just satisfy our demiurgic appetite? 

Our society will certainly face a period of intense questioning, in any case we wish it so, because what is at stake is our relationship to the living. It would be a good task to tackle because the beginnings of these scientific activities are already visible. They appear here and there in a mismatched and uncoordinated way. However, in order to have the necessary elements for its reflection, it seems necessary to give an overview of the situation. Not just a list of the first technical achievements but a suggested work plan that would illustrate the logic that would be at the heart of such a project. For a week we agreed to play the game and tried to project ourselves into the design of what the construction project of an artificial cell could be today.

Compte rendu

Dans un premier temps nous avons fait face à la difficile définition de ce que serait une cellule artificielle et au besoin d’identification des éléments tangibles qui nous permettrait de conclure que cet objet est bien vivant. Nous ne sommes pas parvenu à un consensus ni à une description complète car cela pose à nouveau l’éternelle question de ce qu’est le vivant. Toutefois nous avons fait les remarques suivantes sur ce qui peut être attendu d’un objet vivant:

De façon non-ordonnée et incomplète :

  • Maintien d’un ordre (consommation d’énergie pour combattre l’entropie).
  • Stabilité. Maintien d’état stationnaire.
  • Auto-renouvellement / auto-réparation
  • Sensation et Adaptabilité.
  • Robustesse
  • Capacité à évoluer.
  • Utilisation d’un langage, d’une capacité à traiter une information.
  • Utilisation d’une mémoire,
  • Potentialité d’émergence de fonctions.
  • Organisation multi-échelle.

La nécessité de brûler de l’énergie pour maintenir une structure en auto-renouvellement permanent semble être un pilier incontournable de la cellule artificielle. Existe-t-il un paramètre mesurable qui nous permettrait de caractériser le fait d’être en vie ? Combien de temps le système doit-il rester dans cet état pour être considéré comme vivant ? Peut-il y avoir une définition absolue ou le comportement attendu doit-il être défini en fonction des contraintes imposées ?

Enfin il nous est apparu important de remarquer que le critère « être vivant » ne saurait être absolu. Un objet peut être vivant dans certaines conditions mais pas dans d’autres (le poisson hors de l’eau). Un objet vivant est le siège d’un transfert de matière (et d’échange d’information ?) avec son environnement. Il est le produit d’une réaction face à un ensemble de contraintes. Il faut donc considérer l’ensemble formé par l’objet et son environnement.

Nous avons donc décidé de travailler en groupes sur les quatre thématiques suivantes qui nous ont parues essentielles à la réflexion sur les enjeux techniques et fondamentaux que posent la conception de la cellule artificielle : l’énergie, l’auto-renouvellement, l’information et l’environnement. Ces groupes de travail avaient pour objectifs d’identifier les défis technologiques et les questions fondamentales qui pouvaient être abordés dans ces domaines, soit en décrivant les enjeux principaux et les difficultés à résoudre soit en proposant des projets expérimentaux ciblés soit en suggérant des axes de réflexion pour progresser sur ces thématiques.

Défis technologiques :

  • Produire les ingrédients (quelle doit être la nature des composants ? Tout doit être synthétisé chimiquement ? Des éléments purifiés de cellules préexistantes sont-ils acceptables ?)
  • intégrer les composants/modules qui auront été mis au point séparément.
  • Définir un état de départ, un t0, et être capable de lancer le système. L’état de départ nécessite-t-il des composants déjà issus d’un système vivant (enzymes pour fournir de l’énergie, machinerie pour lire le code génétique) ? Si tel était le cas alors il ne serait pas possible de partir uniquement de composants de synthèse.
  • Assurer une efficacité énergétique. Quel niveau de dissipation est acceptable ?
  • Faut-il un mécanisme de défense pour protéger l’objet (et lui permettre de vivre assez longtemps pour satisfaire les critères précédents) ? Faut-il lui conférer des mécanismes de défense contre les parasites (lâcher une cellule dans la nature aujourd’hui c’est comme brancher son ordinateur sur le réseau sans pare-feu ni anti-virus, ça ne tient probablement pas dix minutes).

Objectifs possibles :

  • comprendre le vivant au point de pouvoir le construire et le mettre en œuvre,
  • reproduire une forme de cellule connue ou au contraire produire quelque chose qui n’existe pas, et qui ne pourrait pas avoir été produit par l’évolution.
  • construire de la matière augmentée, capable d’accomplir des tâches complexes que les objets actuels n’arrivent pas à réaliser. Transformer la pollution en énergie utilisable par exemple.

1-Energie

L’ATP pourrait tout simplement être fourni à la cellule artificielle. Le problème serait que la durée de vie de la cellule serait intrinsèquement limitée. Toutefois, cela permettrait d’étudier la question de l’efficacité de l’utilisation de l’énergie quand celle-ci est limitée. Dans des conditions d’efficacité optimale, qui sont à définir, quelle durée de vie est possible avec une quantité d’ATP donnée ? Afin de permettre une durée de vie prolongée, il est nécessaire de produire de l’ATP dans la cellule artificielle. Quelles solutions s’offrent à nous ?

Il est envisageable de construire un système minimal inspiré de la photosynthèse: une combinaison de la rhodopsine de bactérie qui induit un flux de protons en réponse à la lumière et de l’ATP synthase, qui utilise la différence de concentration en protons entre l’extérieur et l’intérieur de la cellule artificielle pour produire de l’ATP. Cependant la durée de vie du mécanisme sera limitée par l’oxydation (vieillissement) de la rhodopsine. Pourrait-on envisager d’autres transducteurs que la rhodopsine ? des systèmes inorganiques ? Comment limiter l’oxydation ?

Une solution intermédiaire moins synthétique mais plus pragmatique serait d’utiliser un mécanisme photosynthétique préfabriqué. Il pourrait provenir de thylakoides purifiés à partir d’épinard frais, ou alors d’un endosymbiont qui assurerait le catabolisme: une bactérie, enterococcus fecalis, qui produit de l’ATP quand on lui fournit du glucose (cf Nehta PNAS 2018).

Pour évaluer expérimentalement l’efficacité du processus il faut pouvoir mesurer la concentration en ATP. Il existe plusieurs stratégies basées sur un champ électrique (effet Stark), un analogue de l’ATP qui soit fluorescent, une enzyme qui utilise l’ATP produit et dont le produit est mesurable.

Une fois ce système de production d’énergie mis en place il serait utile de trouver un moyen de stocker l’ATP produit. Il serait également intéressant de construire un interface entre la cellule artificielle et l’extérieur pour récupérer l’énergie produite.

Un enjeu majeur est ensuite de gérer l’ATP produit et de l’allouer efficacement aux différents mécanismes qui en ont besoin. Une façon d’étudier cette allocation de ressource est de produire un système dont le fonctionnement est conditionné par la présence d’énergie. L’idée serait d’étudier la synthèse de protéine lorsqu’un acide aminé essentiel manque et que celui-ci ne peut être importé que par un canal qui ne fonctionne que lorsque la concentration en ATP dépasse un seuil défini et qui se ferme lorsque celle-ci passe sous un seuil minimal. L’ATP est produit en continu mais la synthèse consomme beaucoup d’ATP. Les phases d’accumulation d’énergie s’alternent donc avec celles de synthèse de protéine, au rythme des besoin énergétiques de la synthèse.

2-Auto-renouvellement

L’auto-renouvellement est un équilibre entre la synthèse et la dégradation et l’évacuation des composants. Il existe de nombreux outils pour assurer la synthèse (TXTL ou PURE). Les mécanismes de dégradation/évacuation sont moins maitrisés. L’importance de ces mécanismes nous semble sous-estimée dans les stratégies actuelles de construction des cellules artificielles. Quel que soit le mécanisme de dégradation des protéines et de recyclage des acides aminés, leur vieillissement par l’oxydation limite leur potentiel de réutilisation. Des éléments non-fonctionnels vont forcément s’accumuler et devoir être évacués.

Plusieurs stratégies pour évacuer les déchets sont envisageables. La stratégie « des gros pores » : utiliser des trous dans la membrane qui évacueraient en continu tout le cytosol. Ce serait simple mais pas très efficace car on perdrait des protéines fonctionnelles. Par ailleurs, certaines réactions sensibles peuvent être rapidement inhibées par la présence de faibles concentrations de protéines dégradées. Il faut donc s’en débarrasser en priorité. Un simple marquage et adressage aux lipides permettraient de ne laisser que les protéines neuves dans le cytosol et de mettre à la membrane les protéines usagées. Pourrait-on construire des pores bien bricolés (inspirés de ceux utilisés par les bactéries) qui n’évacueraient que les protéines vieilles/marquées ? Une alternative pourrait être d’utiliser des lipides qui une fois concentrés sur la cible génèrent une courbure importante. Cela peut induire un budding et même la fission de la partie courbée (Steinkühler NatCom 20). A partir d’une certaine quantité de vielles protéines accumulées à la membrane, la courbure est telle que la vésicule est éjectée. C’est une forme de division asymétrique « à la cerevisiae » !

Ce mécanisme pourrait-il être optimisée par une forme de polarisation corticale pour concentrer les déchets ? Serait-il possible d’induire une séparation de phase qui isolerait les protéines marquées ? Une possibilité serait de lier la trypsine ou la proteinase K avec un tag (FUS) de façon à induire une séparation de phase et de confiner la dégradation dans cette phase ou les enzymes seront beaucoup plus concentrées. Il serait utile que les protéines vieilles s’agrègent (mécanisme à définir) et ainsi servent de nucléateur de la phase FUS afin que le compartiment de dégradation s’assemble spontanément autour des protéines à dégrader.

Un mécanisme de sélection/optimisation : Si plusieurs plasmides sont insérés avec des parties variables dans la section qui assure le vieillissement, et si les protéines évacuées peuvent lier le plasmide qui codent pour leur synthèse, ou tous les autres (à réfléchir), alors il est possible d’évacuer tous les plasmides qui n’assurent pas un bon vieillissement et sélectionner positivement ceux qui le font.

3-Information

A quoi l’information est-elle nécessaire ? A remplir une fonction ? Un globule rouge joue un rôle essentiel dans l’organisme or il n’a pas de génome. Il a cependant une information dans sa structure qui lui permet d’assurer ces fonctions pendant un court laps de temps. Ceci nous montre que l’information peut être dans la structure et non dans la séquence génétique et que l’information doit être considérée avec son temps de vie.

L’information sert à ce que l’énergie puisse être transformée en ordre (et donc structure et fonction). Mais l’information n’est pas utile en tant que telle. Il faut une machinerie qui lise l’information.

Quelle différence y a-t-il une entre une information classique et une information « vivante » ? L’information « vivante » est prête à changer. Elle inclut l’apprentissage, la mémoire, l’optimisation. Donc elle contient un mécanisme d’effacement/dégradation, un mécanisme de protection et un mécanisme de réparation.

Par ailleurs, l’information n’est pas forcément contenue dans la cellule qui l’utilise ! Elle peut être dans son environnement, y compris dans une autre cellule avec laquelle elle communique. Il peut y avoir des transferts de gènes d’une cellule à l’autre. Le génome « fonctionnel » d’une cellule peut inclure le sien et celui de sa voisine. Le génome de la cellule artificielle pourra donc contenir un patchwork de gènes issus de différents génomes.

Ces éléments de réflexion sur le « temps de vie » de l’information (qui peut donc être pérenne (DNA), ou transitoire (RNA)), la nature de l’information (génomique ou structurale) et la localisation de l’information suggèrent que l’information « vivante » est probablement le siège d’un flux d’information. Un objectif intéressant pourrait être de reconstruire un tel flux. Cela pourrait être un système type opéron lactose qui mesure un paramètre (extérieur), et déclenche ou modifie l’expression d’un gène (intérieur) de façon à créer un rétro-contrôle sur l’expression et obtenir un état stationnaire ou l’optimisation d’une tâche.

Une information sous la forme d’un génome peut être lue, interprétée (par un programme) sélectionnée et optimisée. Par exemple il pourrait être utile, en référence aux remarques précédentes de définir un génome minimal capable d’éliminer les déchets. Il faudrait pour cela pouvoir mesurer les déchets produits par une cellule (ce qui pourrait d’ailleurs être considéré comme une signature du vivant) et corréler cette mesure au génome correspondant à l’aide d’une intelligence artificielle.

4-Environnement

L’environnement au sens classique est le milieu qui entoure la cellule. De ce point de vue, il pourrait être possible de faciliter la mise au point d’une cellule artificielle en rendant son environnement moins agressif (température plus basse, taux d’oxygène réduit, concentrations ioniques extérieures stables, adhérence facilitée, forme allongée imposée, oscillations externe imposées).

L’environnement peut également être une cellule voisine. Il pourrait être alors intéressant de fabriquer un ectosymbionte, une cellule parasite qui pompe ses besoins dans la cellule hôte sans rentrer dedans. On pourrait même envisager de fabriquer une cellule artificielle qui soit le parasite surfacique d’une cellule classique et qui y pioche certaines fonctions utiles. Cela permettrait de commencer par une cellule artificielle extrêmement simple et qui utiliserait un maximum de fonctions dans la cellule classique. De façon à aboutir finalement à une cellule minimale autonome. La cellule classique hôte pourrait être modifiée de façon à mettre en évidence les besoins de la cellule minimale.

L’environnement doit être senti par des capteurs. La cellule utilise plusieurs capteurs qui doivent être indépendants tout en étant interconnectés. Un objectif pourrait être d’interfacer les modules de sensation, entre eux et avec des modules effecteurs. Pour cela on pourrait utiliser les bulles interconnectées par des tubes (à la « Ove Orwar ») pour que chaque bulle ait sa fonction et ne dispense ses produits dans la bulle voisine qu’au travers d’un unique tube de membrane. C’est une alternative aux phases liquides pour segmenter les fonctions qui offre un contrôle spatial plus strict et des échanges plus localisés et contrôlés entre les compartiments.  Chaque fonction (production d’énergie, dégradation, métabolisme) a lieu dans un réacteur différent ce qui permet d’utiliser des conditions chimiques différentes pour chacune d’entre elles (diffusion contrôlée entre les bulles…). Cela permet aussi de mesurer la propagation d’une information d’une bulle à l’autre.

Conclusion

La cellule artificielle pourrait être définie par un ensemble de propriétés et de fonctions (pas toutes essentielles). Ces propriétés pourraient être 1- d’être construite de toutes pièces et 2- d’être dans un état stationnaire en auto-renouvellement, qui dure le plus longtemps possible.

Les fonctions intègreraient plusieurs signaux d’entrée à l’aide de plusieurs modules de sensation/réorganisation pour produire plusieurs réponses possibles comme : le contrôle de la concentration d’une protéine, la polarisation, la motilité, la croissance, la réplication et la division, la multicellularité et la différenciation, et enfin l’évolution. Et ce afin d’explorer des niches écologiques actuellement inaccessibles au vivant.

En concentrant sa consommation énergétique sur un nombre de fonctions limitées, la cellule artificielle pourrait-elle accomplir une tâche de façon plus efficace qu’une cellule naturelle, voir qu’une cellule naturelle, simplifiée et reprogrammée génétiquement ? Pourrait-elle réussir à réaliser des tâches impossibles pour les cellules naturelles ? La cellule artificielle pourrait-elle être plus fiable qu’une cellule naturelle reprogrammée de par la possibilité d’être complètement contrôlable ? De par les limites intrinsèques de ses capacités d’évolution ? De par son temps de vie défini ? De fait, ne serait-elle pas moins dangereuse qu’une cellule naturelle ?

Ces cellules artificielles pourraient avoir des applications dans : la synthèse de composés complexes, la dépollution (métaux, plastiques), la viande artificielle, la génération d’électricité, le stockage de CO2, la transformation de la lumière solaire en énergie utilisable et stockable, les capteurs, les robots à composantes biologiques et interface bio-électrique, les interfaces avec le vivant, les matériaux vivants. Ce faisant les cellules artificielles pourraient transformer notre façon de vivre, notre impact environnemental et notre lien avec la nature. En effet, en créant du vivant, plutôt que des matériaux inertes, nous pourrions retisser un lien aujourd’hui distendu avec toutes les espèces vivantes de notre niche écologique et donc nous réintégrer dans la nature.

Même si cette semaine de réflexion fut empreinte d’inquiétude et de précautions face à l’enjeu et les responsabilités qui étaient discutées, l’ensemble des participants était plutôt rassuré par le fait que la complexité de la tâche qui était devant nous était telle que le temps serait suffisant pour continuer à réfléchir aux dangers et aux enjeux associés à ce projet sans prendre immédiatement de risques inconsidérés. Le plus important, aujourd’hui, nous a semblé être de parler de ces questions avec l’ensemble de notre société, pour qu’ensemble nous décidions, ou non, de fabriquer du vivant.



Citer ce billet
ldiebold (2022, 24 février). La cellule artificielle/ the synthetic cell. Les carnets de la Fondation des Treilles. Consulté le 5 mars 2024, à l’adresse https://doi.org/10.58079/qv6a

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