Résumé :
Le domaine de la biologie synthétique a récemment franchi des étapes importantes. Les dernières recherches menées par une équipe de recherche scientifique de l'Université de Californie à San Diego, aux États-Unis, montrent que les principales enzymes naturellement présentes dans les organismes terrestres peuvent reconnaître et transcrire avec précision une version étendue du code génétique composé de huit lettres chimiques.
Cette découverte brise la compréhension inhérente selon laquelle la vie a été construite à partir de seulement quatre bases pendant des milliards d'années dans la nature. Cela prouve que la machinerie moléculaire existante des cellules vivantes est pleinement capable de traiter l’information génétique synthétisée artificiellement, posant ainsi une base moléculaire clé pour le développement futur d’une nouvelle médecine de précision, de médicaments ciblés et de systèmes biologiques modifiés.
Les informations génétiques de toutes les formes de vie connues sur Terre sont enregistrées dans le système de codage de l'ADN composé des quatre lettres chimiques adénine (A), thymine (T), cytosine (C) et guanine (G). Bien que les scientifiques aient déjà synthétisé en laboratoire de nouvelles bases pouvant être intégrées dans la structure à double hélice de l'ADN (comme le système « ADN à huit caractères » contenant les quatre bases synthétiques P, Z, B et S), la question de savoir si ces lettres non naturelles peuvent être analysées avec précision par le mécanisme de lecture à l'intérieur des cellules naturelles a toujours été le principal goulot d'étranglement pour l'application pratique de la biologie synthétique.
Dans la dernière étude publiée dans Nature Communications, l'équipe de recherche s'est concentrée sur l'enzyme clé de l'expression des gènes, l'ARN polymérase (ARN polymérase). Les chercheurs ont utilisé la technologie de microscopie cryoélectronique (Cryo-EM) pour capturer avec succès un instantané dynamique de la structure tridimensionnelle de l'ARN polymérase d'Escherichia coli (E. coli) lorsqu'elle lit et transcrit des bases synthétiques à une échelle haute résolution inférieure à la largeur d'un seul atome. Les données expérimentales montrent que lorsque cette enzyme naturelle traite les paires de bases synthétiques, sa précision et son efficacité de transcription sont hautement comparables à celles des paires de bases naturelles.
L'analyse structurelle a en outre révélé que l'ARN polymérase ne rejette pas ces lettres synthétiques comme des « objets étrangers », mais les reconnaît avec précision grâce à des nœuds de signaux structurels et chimiques qui sont presque les mêmes que ceux utilisés pour reconnaître les bases naturelles. En outre, l’équipe de recherche a également découvert dans une autre étude supplémentaire publiée dans les Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS) que l’ARN polymérase peut reconnaître et transcrire avec précision même certaines paires de bases non naturelles dépourvues des forces de liaison hydrogène traditionnelles, ce qui élargit considérablement l’espace de conception des alphabets génétiques artificiels.
L'extension de l'alphabet génétique de quatre à huit signifie une augmentation géométrique de la capacité de stockage des informations. Les 64 codes génétiques initialement composés de combinaisons de trois lettres vont se développer de manière explosive, permettant de concevoir et de synthétiser artificiellement de nouveaux acides aminés et protéines fonctionnelles qui n’existent pas dans la nature. Les chercheurs ont souligné que cette technologie avait déjà montré des avantages uniques dans le domaine du diagnostic moléculaire, tels que l'identification ciblée des cellules cancéreuses du foie, et que cette fois, elle avait conquis le mécanisme de transcription des enzymes naturelles, ce qui éliminerait complètement les obstacles techniques à l'utilisation de bioréacteurs de cellules hôtes pour produire des médicaments synthétiques et des biomatériaux avancés.
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