La simulation la plus complète d’une cellule sonde les règles cachées de la vie

De l’étrange des créatures des profondeurs des océans aux bactéries à l’intérieur de notre corps, toute vie sur Terre est constituée de cellules. Mais nous n’avons qu’une idée très approximative du fonctionnement même de la plus simple de ces cellules.

Maintenant, comme décrit récemment dans Cellule, une équipe de l’Université de l’Illinois, Urbana-Champaign et leurs collègues ont créé la simulation informatique la plus complète jamais réalisée d’une cellule vivante. Avec ce modèle numérique, les biologistes peuvent briser les contraintes de la nature et accélérer leur exploration de la façon dont l’unité de vie la plus élémentaire fonctionne et de ce qui se passerait si elle fonctionnait différemment.

“Imaginez pouvoir à partir d’une simulation… récupérer des résultats qui nécessiteraient de très nombreuses expériences”, a déclaré l’auteur principal, Zaida (Zan) Luthey-Schulten, qui a dirigé le groupe effectuant les simulations à l’Université de l’Illinois. En utilisant le modèle, elle et ses collègues ont déjà fait des découvertes surprenantes sur la physiologie et le cycle de reproduction de leur cellule modélisée, et la simulation continue de servir de générateur d’idées pour d’autres expériences.

“C’est la première fois que nous pouvons avoir un examen informatique très minutieux du métabolisme de tout un système complexe – pas seulement une réaction biochimique ou un système très artificiel, mais une cellule vivante entière”, a déclaré Kate Adamala, biologiste synthétique et professeure adjointe. à l’Université du Minnesota qui n’a pas participé à l’étude. Pendant des années, les scientifiques ont essayé de modéliser des cellules entières et de prédire leur biologie avec précision, mais ils n’ont pas réussi car la plupart des cellules sont trop complexes. “Il est difficile de construire un modèle si vous ne savez pas quelles briques Lego y intégrer”, a déclaré Adamala.

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Mais la cellule avec laquelle le groupe de l’Illinois travaille est si simple, avec beaucoup moins de gènes que toute autre cellule, que sa physiologie est plus facilement sondée, ce qui en fait une plate-forme idéale pour un modèle.

La cellule en question est une “cellule minimale” fabriquée en laboratoire qui oscille entre la vie et la non-vie, portant un nombre limité de gènes, la plupart d’entre eux nécessaires à la survie. En reproduisant les processus biochimiques connus qui se déroulent à l’intérieur de cette cellule très basique et en suivant tous les nutriments, déchets, produits génétiques et autres molécules qui la traversent en trois dimensions, la simulation rapproche les scientifiques de la compréhension de la façon dont la forme de vie la plus simple se maintient et révèle certains des exigences minimales de la vie.

Les résultats sont un tremplin vers la construction de modèles de cellules naturelles plus complexes et plus significatifs. Si les scientifiques peuvent éventuellement construire une simulation tout aussi détaillée de la bactérie intestinale commune Escherichia colipar exemple, “ce serait un changement absolu, car toute notre bioproduction fonctionne sur E. coli», a déclaré Adamala.

Une vie numérique

La cellule minimale modélisée par l’équipe, JCVI-syn3A, est une version mise à jour d’une cellule développée par des biologistes synthétiques du J. Craig Venter Institute et présentée dans La science en 2016. Son génome est conçu après celui de la très simple bactérie Mycoplasmes mycoïdes, mais dépouillés de gènes que les scientifiques du projet ont systématiquement déterminés comme n’étant pas essentiels à la vie. JCVI-syn3A se débrouille avec seulement 493 gènes, environ la moitié du nombre de son inspiration bactérienne et seulement environ un huitième du nombre E. coli a.

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Bien que simple, la cellule reste énigmatique. Par exemple, personne ne sait ce que font 94 de ces gènes, sauf que la cellule meurt sans eux. Leur présence suggère qu’il peut y avoir “des tâches ou des fonctions vitales essentielles à la vie dont … la science est inconsciente”, a déclaré John Glass, co-auteur de la nouvelle étude, chef du groupe de biologie synthétique à l’Institut Venter et membre de l’équipe. qui a développé la cellule minimale en 2016. Avec la modélisation, les chercheurs espèrent pouvoir rapidement commencer à percer certains de ces mystères.

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