Des chercheurs ont réussi à faire fonctionner deux codes génétiques en parallèle dans un système acellulaire, une avancée importante vers la création de formes de vie dotées de protéines synthétiques inédites, selon des travaux publiés dans Nature (DOI: 10.1038/s41586-026-10949-y).
La mise au point de transferts d’ARN alternatifs
La réussite de cette manipulation repose sur l’utilisation de populations modifiées d’ARN de transfert (ARNt). Pour y parvenir, l’équipe a synthétisé des pools d’oligonucléotes d’ADN contenant du tRNA sous un promoteur T7 et suivi d’un ribozyme HDV, en recourant à des puces à ADN à haute fidélité fournies par IDT d’une longueur allant de 254 à 275 nucléotides, et l’ADN double brin a été amplifié dans une seule réaction de PCR pour chaque pool. Ces pools de tRNA comprenaient 48 isoac accepteurs uniques d’E. coli avec toutes les combinaisons de la base 75, toutes les combinaisons des bases 74 et 75, ainsi que tous les isoac accepteurs de tRNA de M. alvus et M. mazei.
Les réactions de transcription in vitro ont été menées à 37 °C en utilisant l’ADN double brin amplifié comme modèle avec le kit NEB HiScribe T7 High Yield RNA Synthesis Kit, avec l’ajout d’ATP, de CTP, de GTP, d’UTP, d’un tampon de réaction, de 200 ng de modèle d’ADN double brin et de polymérase T7 RNA. Après la transcription inverse, un traitement à la polynucléotide kinase a été réalisé pour déphosphoryler l’extrémité 3′ du tRNA. Le tRNA produit par transcription in vitro a ensuite été purifié et sélectionné en fonction de sa taille à l’aide de billes SPRIselect, puis replié en chauffant à 80 °C pendant 5 minutes et en refroidissant lentement à température ambiante, avant d’ajouter du chlorure de magnésium à une concentration finale de 10 mM à 50 °C.
Pour l’amplification de tRNA individuels à partir d’un pool de tRNA, une amorce unique a été conçue pour chaque tRNA couvrant le promoteur T7 et la séquence unique 5′ du tRNA, tandis que la même amorce inverse a été utilisée pour tous les tRNA comme pour l’amplification groupée, ou alternativement, des séquences de tRNA individuelles ont été synthétisées et amplifiées. Un total de 40 à 120 µg de bibliothèques de tRNA de transcription in vitro a été incubé dans 200 µl du système de synthèse de protéines cellulaires acellulaires NEBExpress E. coli (New England Biolabs) ou d’un système de traduction par lysat cellulaire personnalisé préparé par l’équipe, ou encore dans le kit NEB PURExpress Δ(aa, tRNA) pendant 2 h à 37 °C.
L’extraction des tRNA a consisté à suspendre les culots cellulaires dans 1 ml de TRIzol (Thermo Fisher) et à les congeler à −80 °C, puis à ajouter 1/10 de volume de 1-bromo-3-chloropropane avant de vortexer et de centrifuger à 15 000 × g pendant 15 min à 4 °C. L’oxydation au periodate a été réalisée avec 10 µg d’ARN total dans 10 mM d’acétate de sodium et 50 mM de NaIO4 incubés à 22 °C pendant 30 min et bloqués avec 100 mM de d-glucose pendant 5 min, suivie d’une élimination par bêta-élimination et désacylation dans 60 mM de tétraborate de sodium à 45 °C pendant 90 min, puis l’élimination du groupe phosphoryle 3′ a été effectuée à l’aide du kit T4 Polynucleotide Kinase de New England Biolabs.
Le fonctionnement simultané des ribosomes
Avec ces tRNA alternatifs chargés en main, les chercheurs ont confirmé qu’ils étaient ignorés par les ribosomes normaux. En revanche, si l’on utilisait un ribosome doté des modifications correspondantes qui rétablissaient l’appariement des bases, celui-ci fabriquait joyeusement une protéine en les utilisant. Les chercheurs disposaient ainsi de deux populations différentes de tRNA, chacune compatible avec une population différente de ribosomes.
Ils ont conçu un code génétique séparé et ont utilisé les tRNA alternatifs pour l’implémenter, puis ont conçu un ARN messager qui pouvait être traduit par les deux codes génétiques, mais produirait des protéines différentes selon le code utilisé. En assemblant un mélange des deux populations de tRNA, des deux populations de ribosomes et de tous les produits chimiques nécessaires au fonctionnement de la traduction, deux protéines différentes ont été produites. Les deux populations de ribosomes se sont accrochées à l’ARN messager mais ont utilisé des populations de tRNA différentes pour fabriquer une protéine à l’aide du message, et comme les deux populations mettaient en œuvre des codes génétiques différents, elles ont fabriqué des protéines différentes.
Les obstacles pour une application in vivo
Cette réalisation est qualifiée de vraiment cool, et elle pourrait également s’avérer utile sur le plan pratique. Après tout, il est extrêmement difficile de modifier le code génétique, car chaque protéine de la cellule en dépend. Si ce code continue de fonctionner heureusement pendant que l’on modifie un second code génétique, la cellule sera potentiellement beaucoup plus heureuse, potentiellement.
Les chercheurs ont uniquement réalisé ce travail dans un mélange de protéines et de produits chimiques isolés de cellules, sans l’essayer dans des cellules réelles. Pour être clair, cela pourrait causer des problèmes dans ce contexte, car le ribosome alternatif continuerait d’essayer de traduire tous les ARN messagers qu’il croise mais utiliserait le mauvais code génétique, produisant probablement de nombreuses protéines tronquées ou malformées. Celles-ci pourraient interférer suffisamment avec les processus normaux pour tuer la cellule, les chercheurs ne voyant pas de moyen évident de contourner ce problème, bien qu’un biologiste astucieux puisse finalement en trouver un.