Les scientifiques utilisent les outils de la biologie synthétique pour créer des organismes similaires à ceux qui auraient vécu il y a des milliards d'années – ScienceDaily

En étudiant l'un de ces organismes modifiés – une bactérie dont le génome est composé à la fois d'acide ribonucléique (ARN) et d'acide désoxyribonucléique (ADN) – les scientifiques espèrent faire la lumière sur l'évolution précoce du matériel génétique, y compris la transition théorisée d'un monde où la vie ne dépendait que de la molécule génétique ARN, l’ADN constituant le principal entrepôt d’informations génétiques.

En utilisant un second organisme, une levure génétiquement modifiée contenant une bactérie endosymbiotique, ils espèrent mieux comprendre l’origine des centrales cellulaires appelées mitochondries. Les mitochondries fournissent une énergie essentielle aux cellules des eucaryotes, un vaste groupe d’organismes, y compris les humains, possédant des cellules complexes contenant des noyaux.

Les chercheurs ont décrit l’ingénierie des microbes dans deux articles, l’un publié le 29 octobre 2018 dans Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS) et une autre publiée le 30 août 2018 dans Journal de l'American Chemical Society (JACS)

"Ces organismes modifiés nous permettront d'explorer deux théories clés sur les grandes étapes de l'évolution des organismes vivants: la transition du monde des ARN au monde à ADN et la transition des procaryotes aux eucaryotes avec mitochondries", déclare Peter Schultz, PhD, senior auteur sur les papiers et président de Scripps Research. "L'accès à des modèles de laboratoire facilement manipulés nous permet de rechercher des réponses à des questions sur l'évolution précoce qui étaient auparavant insolubles."

Les origines de la vie sur Terre fascinent l’être humain depuis des millénaires. Les scientifiques ont retracé l'arc de la vie depuis plusieurs milliards d'années et ont conclu que les formes de vie les plus simples émergeaient de la soupe chimique primordiale de la Terre et évoluaient ensuite au cours des siècles en organismes de plus en plus complexes. L’émergence de l’ADN, une molécule qui stocke toutes les informations nécessaires à la réplication de la vie, incite les machines cellulaires à répondre à leurs besoins en produisant principalement de l’ARN, qui à son tour dirige la synthèse des protéines, les géniteurs moléculaires des cellules.

Dans les années 1960, Carl Woese et Leslie Orgel, ainsi que le pionnier de l'ADN, Francis Crick, ont proposé qu'avant, les organismes dépendaient de l'ARN pour transmettre des informations génétiques, une molécule similaire mais beaucoup moins stable que l'ADN, qui peut également catalyser des réactions chimiques telles que les protéines. . "En classe de sciences, les étudiants apprennent que l'ADN mène à l'ARN, qui à son tour conduit aux protéines – c'est un dogme central de la biologie – mais l'hypothèse du monde de l'ARN renverse cela", dit Angad Mehta, PhD, premier auteur des nouveaux articles. et un associé de recherche postdoctoral à Scripps Research. "Pour que l'hypothèse du monde de l'ARN soit vraie, vous devez d'une manière ou d'une autre passer d'un ARN à un génome d'ADN, mais la façon dont cela aurait pu se produire est toujours une très grande question pour les scientifiques."

Une possibilité est que la transition passe par une sorte de chaînon manquant microbien, un organisme en cours de réplication qui stocke les informations génétiques sous forme d'ARN. Pour l’étude JACS, l’équipe dirigée par Scripps Research a créé la bactérie Escherichia coli qui construit partiellement son ADN avec des ribonucléotides, les blocs de construction moléculaires généralement utilisés pour la construction de l’ARN. Ces génomes modifiés contenaient jusqu'à 50% d'ARN, représentant ainsi simultanément un nouveau type d'organisme de synthèse et peut-être un retour en arrière il y a des milliards d'années.

Mehta met en garde que leurs travaux se sont jusqu'à présent concentrés sur la caractérisation de ce génome chimérique d'ARN-ADN et son effet sur la croissance et la réplication bactériennes, mais n'a pas explicitement exploré les questions relatives à la transition du monde des ARN au monde de l'ADN. Mais, dit-il, le fait que E. coli avec la moitié de son génome constitué d'ARN peut survivre et se répliquer est remarquable et semble soutenir la possibilité de l'existence d'organismes en transition évolutive possédant des génomes hybrides ARN-ADN. L’équipe de recherche Scripps étudie actuellement la manière dont les génomes mixtes de leurs E. coli fonction et envisage d’utiliser les bactéries pour explorer un certain nombre de questions d’évolution.

Par exemple, une question est de savoir si la présence d'ARN conduit à une dérive génétique rapide – de grands changements dans la séquence des gènes dans une population au fil du temps. Les scientifiques partent du principe que la dérive génétique massive s'est produite rapidement au début de l'évolution et que la présence d'ARN dans le génome pourrait aider à expliquer la rapidité avec laquelle le changement génétique s'est produit.

Dans le papier publié dans PNAS, les chercheurs rapportent l’ingénierie d’un autre modèle de laboratoire pour un jalon évolutif qui aurait eu lieu il ya plus de 1,5 milliard d’années. Ils ont créé une levure dont l'énergie dépend des bactéries qui y vivent et qui constitue un parasite bénéfique ou «endosymbionte». Cet organisme composite leur permettra d'étudier les origines anciennes d'organites microscopiques ressemblant à des bactéries appartenant à la mitochondrie et qui produisent de l'énergie chimique dans les cellules de tous les organismes supérieurs.

On pense généralement que les mitochondries ont évolué à partir de bactéries ordinaires capturées par de plus gros organismes unicellulaires. Ils remplissent plusieurs fonctions clés dans les cellules. Plus important encore, ils servent de réacteurs à oxygène, en utilisant O₂ pour fabriquer l'unité de base de l'énergie chimique des cellules, la molécule ATP. Si cruciales que soient les mitochondries vis-à-vis des cellules, leurs origines demeurent quelque peu mystérieuses, bien qu'il y ait des allusions claires à la descendance d'un organisme plus indépendant, largement considéré comme une bactérie.

Les mitochondries ont une structure à double membrane comme celle de certaines bactéries et, encore une fois, elles contiennent leur propre ADN. Les analyses du génome mitochondrial suggèrent qu'il partage un ancêtre avec la bactérie moderne Rickettsia, qui peut vivre dans les cellules de leurs hôtes et provoquer une maladie. Un soutien plus fort à l'origine bactérienne de la théorie des mitochondries proviendrait d'expériences montrant que des bactéries indépendantes pourraient effectivement être transformées, en une progression semblable à celle de l'évolution, en symbiotes analogues à ceux de la mitochondrie. À cette fin, les scientifiques de Scripps Research ont mis au point E. coli les bactéries qui pourraient vivre dans les cellules de Saccharomyces cerevisiae, également connues sous le nom de levure de boulangerie, qui en dépendent et en apporteront une aide essentielle.

Les chercheurs ont commencé par modifier E. coli manque du gène codant pour la thiamine, rendant les bactéries dépendantes des cellules de levure pour cette vitamine essentielle. Dans le même temps, ils ont ajouté à la bactérie un gène pour ADP / ATP translocase, une protéine transporteuse, de sorte que l'ATP produit dans les cellules bactériennes serait fourni à leurs hôtes de cellules de levure, imitant ainsi la fonction centrale de véritables mitochondries. L’équipe a également modifié la levure afin que leurs propres mitochondries ne fournissent pas suffisamment d’ATP. Ainsi, la levure dépendrait de la bactérie pour une production normale d’ATP à base de mitochondries.

L'équipe a découvert que certaines des bactéries modifiées, après avoir été modifiées avec des protéines de surface pour les protéger de la levure, vivaient et proliféraient en harmonie avec leurs hôtes pendant plus de 40 générations et semblaient être viables indéfiniment. "Les bactéries modifiées semblent accumuler de nouvelles mutations au sein de la levure afin de mieux s'adapter à leur nouvel environnement", a déclaré Schultz.

Avec ce système mis en place, l’équipe essaiera de faire évoluer la E. coli devenir des organites ressemblant à la mitochondrie. Pour le nouveau E. coli endosymbionte, s’adapter à la vie à l’intérieur de la levure pourrait lui permettre de maigrir radicalement son génome. Un typique E. coli La bactérie, par exemple, possède plusieurs milliers de gènes, alors que la mitochondrie n’a évolué que sur 37.

L’équipe de recherche Scripps a complété l’étude par d’autres expériences de soustraction de gènes. Les résultats étaient prometteurs: ils ont découvert qu’ils pouvaient éliminer non seulement les E. coli le gène de la thiamine, mais également les gènes sous-jacents à la production de la molécule métabolique NAD et de la sérine, un acide aminé, et obtiennent toujours une symbiose viable.

"Nous sommes maintenant sur la bonne voie pour montrer que nous pouvons supprimer les gènes pour la fabrication des 20 acides aminés, qui constituent une partie importante de la E. coli Schome, explique Schultz. Une fois que nous aurons atteint cet objectif, nous supprimerons des gènes pour la synthèse de cofacteurs et de nucléotides, et nous espérons pouvoir obtenir un génome endosymbiotique vraiment minimal dans quelques années. "

Les chercheurs espèrent également utiliser des systèmes endosymbionte-hôte similaires pour étudier d'autres épisodes d'évolution importants, tels que l'origine des chloroplastes, des organites absorbant la lumière jouant un rôle similaire à celui de la mitochondrie dans la fourniture d'énergie aux plantes.