Combinable comme des blocs de Lego – des chercheurs développent une boîte à outils génétique pour les algues vertes

Une équipe de chercheurs internationale dirigée par le Juniorprofessor Dr. Felix Willmund (à gauche) et le Professeur Dr. Michael Schroda a développé une boîte à outils génétique pour l'algue verte. (Photo : Koziel/TUK)

Le graphique montre comment fonctionne la boîte à outils. Les blocs de gènes individuels peuvent être combinés comme des Legos. (Photo : Schroda)

Dans le patrimoine génétique des cellules, c'est similaire à ce qui se passe dans les usines : les gènes contrôlent et régulent la production de protéines. Dans l'industrie, un principe de type « boîte à outils » est souvent utile, permettant d'échanger des lignes de fabrication lorsqu'un autre produit doit être fabriqué. Les chercheurs travaillent également à combiner différemment des blocs de construction génétiques comme des LEGO. Une telle boîte à outils comprenant 119 unités de fonction génétique pour une algue verte a été créée par une équipe internationale de chercheurs avec des biologistes de Kaiserslautern. Ainsi, il est possible de construire de petites usines à partir d'algues, qui produisent par exemple des pigments ou des principes actifs médicaux. L'étude a été publiée dans la revue spécialisée « ACS Synthetic Biology ».

Les LEGO existent en de nombreuses tailles, couleurs et formes. Ils peuvent être assemblés à l'infini. De la même manière que ces petits blocs, les chercheurs souhaitent également combiner des parties de gènes.

Un gène est composé de différentes unités fonctionnelles. Par exemple, au début d'une séquence de gène, il y a ce qu'on appelle un promoteur. « Il contrôle l'activité du gène et veille à ce qu'une certaine quantité de protéine soit produite ou que le gène ne soit lu que pendant une période donnée », explique le professeur Dr. Michael Schroda, qui occupe la chaire de « Biotechnologie moléculaire et biologie des systèmes » à l'Université technique de Kaiserslautern (TUK).

L'équipe de Schroda travaille à décomposer les gènes en ces unités individuelles. Outre le promoteur, il existe une région de lecture contenant l'information génétique, qui peut être subdivisée en de nombreux blocs fonctionnels : par exemple ceux qui dirigent une protéine vers certaines zones de la cellule, qui la font briller ou avec lesquels elle peut simplement être extraite à partir d'extraits cellulaires. Il existe également une zone d'arrêt, où la lecture de l'information génétique se termine. « Notre objectif est de pouvoir combiner librement ces unités provenant de différents gènes », poursuit le professeur.

Dans sa dernière étude, l'équipe internationale de chercheurs, comprenant notamment les groupes de travail de Schroda et de son collègue de Kaiserslautern, le junior professeur Dr. Felix Willmund, a réussi à créer une boîte à outils de 119 unités de fonction génétique pour l'algue verte Chlamydomonas reinhardtii. Comme des LEGO, ces blocs génétiques peuvent être assemblés facilement. « Cela est possible parce que ces blocs sont normalisés. Ils possèdent toujours des séquences définies à leurs extrémités, ce qui permet de les assembler dans un ordre précis », explique le biologiste de Kaiserslautern.

Ce qui rend cette étude particulière : il s'agit d'un organisme supérieur – un eucaryote, comme on l'appelle en jargon spécialisé. Jusqu'à présent, de telles boîtes à outils existaient plutôt pour des organismes inférieurs comme les bactéries. « La algue verte est beaucoup plus complexe et possède par exemple plus de gènes », indique le junior professeur Willmund, qui étudie la génétique des eucaryotes. « Mais, tout comme les bactéries, elle se reproduit très rapidement, ce qui la rend également intéressante pour une production industrielle. »

Les algues vertes pourraient par exemple servir de micro-usines. « Avec la boîte à outils génétique, on peut produire en relativement peu de temps différentes protéines, allant des pigments aux principes actifs utilisés en médecine », explique Willmund. Mais cette méthode est également intéressante pour la recherche fondamentale. « Elle nous permet de modifier et d'étudier plus précisément les voies métaboliques », illustre Schroda.

Schroda mène des recherches dans le domaine de la biologie synthétique. Dans ce domaine encore relativement jeune, il s'agit notamment de créer de nouveaux systèmes biologiques et de transférer des connaissances issues des sciences de l'ingénieur aux processus moléculaires.

Des normes et des standards sont également établis, comme par exemple pour les extrémités des blocs de construction génétiques. Cela facilite leur utilisation en tant que modules et leur combinaison arbitraire.

Les travaux ont été réalisés dans le cadre du projet de recherche spécial (SFB Transregio TRR175) « The Green Hub – Le chloroplaste comme centre de l'acclimatation chez les plantes ». Il est financé par la Deutsche Forschungsgemeinschaft depuis 2016. Des équipes de chercheurs de Berlin, Potsdam-Golm, Munich et Kaiserslautern étudient comment les plantes parviennent à s'adapter à des conditions environnementales changeantes.

Outre les chercheurs de Kaiserslautern, la étude a impliqué des collègues de France, d'Angleterre, du Danemark, d'Espagne et de Bielefeld. Le travail a été publié dans la revue de renom « ACS Synthetic Biology » : « Naissance d'un châssis photosynthétique : la boîte à outils MoClo permettant la biologie synthétique dans l'algue microscopique Chlamydomonas reinhardtii »

DOI : 10.1021/acssynbio.8b00251