La biologie synthétique veut utiliser de nouvelles techniques pour améliorer ou concevoir des systèmes biologiques. Cette année, une équipe d'étudiants de la KU Leuven participe au concours iGEM, un concours international de biologie synthétique, avec un projet sur les cellules végétales.
"Je cherche une hormone", explique Dries. Je suis à l'Institut de Botanique et de Microbiologie de la KU Leuven, au Kasteelpark Arenberg à Heverlee. Carnet de notes et appareil photo en main, je regarde Dries, frustré, ouvrir un congélateur après l'autre à la recherche de la substance perdue.
L'hormone s'avère être hors de propos, ou peut-être qu'elle est là, mais elle est mal étiquetée. Les laboratoires regorgent de tubes à essai et de tasses à mesurer, souvent à peine distinguables les uns des autres, à moins que l'utilisateur n'ait eu la patience d'écrire habilement ce que sont réellement les substances troubles.
Dries Oome est membre de l'équipe iGEM de Louvain de cette année. iGEM est une compétition internationale de biologie synthétique, dans laquelle différentes équipes internationales d'étudiants s'affrontent. Pour la première fois cette année, le concours se terminerait par un événement de clôture à Paris (au lieu du MIT à Boston), mais en raison de la pandémie corona, il se poursuivra désormais en ligne.
L'équipe de Louvain est en compétition cette année dans un projet sur "l'évolution dirigée" des plantes, intitulé Blades (qui signifie Laboratoire botanique pour l'évolution accélérée † Évolution dirigée (évolution dirigée ) est une méthode d'utilisation du processus de sélection naturelle pour arriver au gène désiré.
Cela se fait en faisant d'abord muter le gène existant de manière aléatoire, puis en effectuant vous-même une sélection artificielle sur la "bibliothèque de mutants" obtenue, de sorte que seule la mutation qui produit le résultat souhaité reste.
L'évolution dirigée est devenue populaire parmi les scientifiques et ses recherches ont reçu le prix Nobel de chimie en 2018. Elle s'applique principalement aux bactéries unicellulaires. Plus récemment, les premières étapes ont également été franchies dans les cellules de levure et de mammifère.
Mais les cellules végétales sont souvent oubliées. Bien que l'évolution dirigée ait déjà été utilisée chez les plantes, cela ne s'est pas encore produit avec la méthode de mutation d'EvolvR (une méthode qui utilise, entre autres, CRISPR-Cas9). L'équipe Leuven iGEM veut changer cela cet été.
L'évolution dirigée est devenue populaire parmi les scientifiques, et ses recherches ont remporté le prix Nobel de chimie 2018
Pour les cultures végétales, cette technique peut apporter toutes sortes d'avantages, comme un rendement plus élevé ou une meilleure résistance. Pendant des siècles, les gens ont sélectionné les meilleures plantes pour une culture ultérieure. Mais ce processus de sélection classique est lent, car il faut beaucoup de temps avant que la prochaine génération de plantes ne soit complètement développée.
De plus, une telle sélection a lieu sur "l'apparence" de la plante, le soi-disant phénotype, alors qu'il n'est pas clair quels gènes sont responsables de cet affichage (les biologistes parlent de génotype).
Les techniques d'évolution dirigée peuvent ici faire la différence. Ces techniques fonctionnent avec des organismes unicellulaires, qui se reproduisent souvent plus rapidement, ce qui peut raccourcir considérablement le processus. Cependant, il y a un problème majeur :une plante n'est pas une créature unicellulaire, mais une créature multicellulaire complexe.
Le même problème se pose dans la recherche humaine. Là, il est souvent dissous via ce que l'on appelle des «lignées cellulaires immortelles». La plus connue d'entre elles est la cellule HeLa, une lignée cellulaire qui remonte à la tumeur cancéreuse de la patiente afro-américaine Henrietta Lacks.
À son insu, certaines cellules cancéreuses ont été prélevées sur Henrietta Lacks dans les années 1950 et utilisées pour la recherche scientifique depuis
À son insu, certaines cellules cancéreuses lui ont été prélevées dans les années 1950 et utilisées pour la recherche scientifique depuis. Comme les cellules cancéreuses maîtrisent parfaitement la multiplication, même sur une boîte de Pétri, elles constituent souvent des lignées cellulaires idéales avec lesquelles travailler en laboratoire.
C'est plus difficile avec les plantes. Pour que leur projet réussisse, l'équipe Leuven iGEM doit trouver une bonne lignée cellulaire végétale. Les cellules dont l'équipe a besoin doivent ressembler à des cellules souches, des cellules qui ne se sont pas différenciées en un type de cellule spécifique, mais qui sont toujours « omnipotentes ». En principe, ils peuvent encore devenir tous les types de cellules.
En fait, il existe un certain nombre de lignées cellulaires qui peuvent les utiliser, mais le gros problème est qu'il ne s'agit pas de cellules souches. Les informations nécessaires sur l'ADN de ces lignées cellulaires font également souvent défaut. Sarah Vorsselmans, un autre membre de l'équipe iGEM, se plaint d'une autre lignée cellulaire, BY-2. Pour cette lignée cellulaire, il n'y a que des données complètes sur le génome de la plante d'il y a 30 ans, lorsque la lignée originale a été créée.
C'est pourquoi une partie de l'ambition de l'équipe de Louvain est de créer une meilleure lignée cellulaire. Ce n'est qu'en cas d'échec qu'ils se rabattront sur l'une des lignées cellulaires existantes mais inférieures telles que BY-2. C'est ici que Dries entre dans l'histoire, avec sa recherche d'hormones.
Entre-temps, le professeur Filip Roland, dont nous sommes dans le laboratoire, a été contacté. Il me dit qu'il devrait être dans le congélateur 2. C'est l'hormone 1-NAA, également connue sous le nom d'acide 1-naphtalèneacétique. C'est une hormone de croissance pour les plantes :elle stimule la division cellulaire sans inciter les cellules à se différencier. Cependant, l'hormone reste introuvable.
Ce n'est pas la première fois que Dries vit quelque chose comme ça. « Il arrive », dit-il, « qu'en quelques étapes simples, vous découvriez soudainement en petits caractères que vous avez besoin d'une substance supplémentaire que vous ne pouvez pas trouver. Vous devez ensuite le commander, ce qui peut facilement vous coûter une période d'attente de deux semaines.'
Heureusement, il existe une autre alternative :fabriquer soi-même l'hormone. « Fabriquer » signifie ici :dissoudre la forme de poudre dans laquelle il est disponible à la bonne concentration dans l'eau. Une fois que Dries aura fait cela, nous pourrons enfin faire pousser les cellules végétales.
Mais où fait-on pour que les premières cellules végétales se multiplient ? De la plante elle-même. Plus précisément, il s'agit de la pervenche rose (Catharanthus roseus ), une plante originaire de Madagascar, mais qui s'est également retrouvée dans les salons européens au fil des siècles.
Mais une plante n'est pas encore unicellulaire. Ce que Dries doit faire, c'est la tâche difficile de convaincre cette plante à part entière de se comporter comme une plante unicellulaire. De cette façon, l'équipe n'a pas besoin d'un champ à croissance lente plein de pervenches pour ses recherches, mais peut faire pousser toutes les cellules nécessaires sur une boîte de Pétri qui tient dans la main de tout le monde.
La plante doit être « entraînée » dans un tissu unicellulaire, car cela amène les biologistes en territoire familier. Ils savent comment manipuler des cellules individuelles sous le microscope et dans la boîte de Pétri. Ils peuvent le faire avec plus de contrôle et de précision qu'avec de grandes plantes multicellulaires complexes.
La plante doit être "coachée" dans un tissu unicellulaire, car cela amène les biologistes en territoire familier
Cependant, Dries ne peut travailler avec aucune cellule de la plante. Grâce à la connaissance des plantes fournie par le laboratoire de Roland, il sait où chercher. Les cellules recherchées se trouvent dans la tige, et plus concrètement sa couche externe.
Tout comme les humains, les plantes ont aussi des "veines". Fondamentalement, deux types :les plus grands qui pompent l'eau du sol vers les feuilles et les plus fins qui transportent les nutriments dans tout le tissu végétal.
Mais ce que Dries poursuit, c'est la couche située entre ces deux veines, une couche de cellules qui n'a pas encore fait le choix entre les deux, et se comporte donc toujours comme une "cellule souche". Mais pour isoler et développer ces cellules, de nombreuses étapes doivent être franchies.
Sous une armoire à « flux laminaire », qui utilise un flux d'air pour maintenir les autres bactéries et substances à distance, Dries coupe d'abord la tige de la plante en deux avec une lame de rasoir. Il utilise ensuite des pincettes fines pour séparer la couche supérieure du reste. Les échantillons doivent ensuite être soigneusement stérilisés, sans que les cellules végétales soient détruites.
Alors que j'ai déjà mon appareil photo prêt à enregistrer si l'expérience a réussi ou non, Dries m'informe que nous devons attendre encore un mois. Ce n'est qu'alors que nous pourrons vraiment savoir si le coaching de l'usine à la cellule unique a été couronné de succès.
Bien que tout ce que nous ayons à faire soit d'attendre, la route du succès est semée d'embûches. Presque tous ceux à qui j'en parle disent que cette partie du projet a très peu de chances de réussir. Non pas parce que les cellules végétales ne veulent pas se développer, mais à cause d'invités indésirables :d'autres bactéries et champignons qui se sont pourtant glissés dans la boîte de Pétri.
Vous pouvez en effet voir des champignons pousser sur un certain nombre de plats d'il y a quelques jours, ce qui signifie qu'ils peuvent déjà être jetés. Mais si un échantillon continue de croître de manière persistante et parvient à empêcher tous les invités non invités d'entrer, alors le projet réussira.
Si le projet réussit, il y a une chance d'immortalité. Non seulement pour la réputation de l'équipe iGEM, mais surtout pour les cellules elles-mêmes
S'il réussit, il y a une chance d'immortalité. Non seulement pour la réputation de l'équipe iGEM, mais surtout pour les cellules elles-mêmes. Tout comme les cellules HeLa ont continué à se reproduire sans perturbation depuis les années 1950, cette lignée cellulaire pourrait également continuer à vivre.
Si longtemps, en fait, qu'une équipe d'étudiants du futur pourrait à son tour se plaindre de n'avoir pas fait l'objet de recherches plus approfondies depuis 30 ans. Alors peut-être trouvez-vous le courage de vous lancer vous-même.
