Des scientifiques ont modifié le code fondamental d’un organisme vivant. Il n’aurait pas dû survivre, mais il l’a fait

Le mystère des acides aminés et les origines de la vie

La vie, du moins telle que nous la connaissons, nécessite 20 acides aminés pour s’assembler et former les protéines qui construisent les tissus vivants. Sous la plume de la journaliste Elizabeth Rayne, cette enquête révèle que toutes les formes de vie répertoriées exigent ce seuil minimum pour subsister. Les chercheurs s’interrogent aujourd’hui sur la validité de cette règle lors des toutes premières phases de l’évolution. Comment le vivant a-t-il pu atteindre un tel nombre d’acides aminés canoniques depuis la boue primordiale ? Cette question demeure une véritable énigme scientifique.

Certaines espèces microbiennes utilisent jusqu’à 22 acides aminés, mais aucune espèce sur Terre n’en emploie moins de 20. Cette réalité n’a peut-être pas toujours prévalu sur notre planète. Une équipe de chercheurs de l’Université de Columbia s’est lancée dans une entreprise audacieuse : déterminer si les microbes émergeant sur une jeune Terre hostile, bien avant l’apparition de LUCA (le dernier ancêtre commun universel de tous les organismes), auraient pu fonctionner avec un nombre inférieur d’acides aminés. Déterminés à vérifier si la bactérie E. coli pouvait survivre avec un tel déficit, ils ont cherché des moyens viables d’en supprimer un à l’aide d’algorithmes d’intelligence artificielle. L’équipe a finalement réussi à créer une bactérie amputée d’un acide aminé dans ses protéines ribosomiques, une entité capable de se reproduire pendant des centaines de générations.

Les résultats de ces travaux ont été partagés dans une étude récemment publiée dans la revue Science. Les scientifiques expliquent leur démarche avec précision : « De multiples sources de preuves suggèrent la faisabilité de la vie avec un alphabet d’acides aminés plus restreint, » déclarent-ils. Ils détaillent ensuite l’enjeu biochimique de leur découverte : « Plusieurs groupes d’acides aminés présentent un haut degré de similarité biochimique et une redondance fonctionnelle potentielle […] [et] la modélisation informatique de la structure des protéines suggère que seuls 9 à 12 acides aminés sont nécessaires pour construire presque tous les repliements de protéines. »

L’ADN, les codons et la sélection d’une cible précise

Au cœur d’un brin d’ADN, chaque séquence de trois nucléotides, connue sous le nom de codon, code des informations destinées à produire un acide aminé particulier. L’adénine, la cytosine, la guanine, la thiamine et l’uracile sont quelques-uns des acides aminés les plus communément connus, mais il en existe de nombreux autres qui passent inaperçus dans les cours de biologie du lycée.

C’est précisément le cas de l’isoleucine, un élément qui n’apparaît généralement pas dans les examens finaux. Chez l’être humain, cette substance est impliquée simultanément dans le métabolisme et dans le système immunitaire. La synthèse de cette dernière exige une quantité d’énergie écrasante. En raison de ce coût métabolique élevé, elle a fréquemment été remplacée tout au long de l’évolution. Face à ce constat, l’équipe de recherche a décidé que l’isoleucine constituerait un candidat prometteur lors de sa quête d’un acide aminé dont la bactérie E. coli pourrait se passer.

Le projet Ec19 et le défi des 81 000 modifications

Des observations antérieures ont révélé que des bactéries E. coli mutées et déficientes en un composé contenant de l’isoleucine parviennent à se maintenir en vie grâce à la valine. Cette dernière se révèle suffisamment similaire pour remplacer parfois l’isoleucine dans la nature. Réaliser ce remplacement de manière artificielle pourrait donner naissance à un microbe capable de survivre avec seulement 19 acides aminés. Pour opérer une telle substitution, l’équipe a dû identifier avec une exactitude absolue les régions du génome de la bactérie à éditer. L’objectif était de créer une espèce modifiée baptisée Ec19, un processus nécessitant des modifications sur plus de 81 000 sites du génome.

Face à une telle ampleur, l’équipe a pris la décision de se concentrer sur une cible moins intimidante. Leur attention s’est resserrée sur les ribosomes de la bactérie E. coli, les structures cellulaires responsables de la synthèse des protéines. Chaque ribosome est lui-même constitué de 50 protéines. Au cours de cette procédure ciblée, l’isoleucine a été remplacée soit par de la valine, soit par de la leucine au sein de 39 gènes de la bactérie, sélectionnés parce qu’ils étaient essentiels ou hautement exprimés.

L’intégration indispensable de l’intelligence artificielle

La majorité des cellules ayant subi cet échange entre l’isoleucine et la valine ont rencontré des difficultés pour se développer, ou ont tout bonnement fini par mourir. Face à ces impasses, les chercheurs ont pris le parti d’entraîner des algorithmes d’intelligence artificielle spécialisés, identifiés sous le terme de modèles de langage protéique. Ces systèmes ont été conçus pour créer de nouvelles séquences d’acides aminés tout en prédisant la manière dont ces séquences interagiraient entre elles et seraient incorporées dans les protéines. Cet essai visait à tester le nombre exact d’acides aminés que les scientifiques pouvaient soustraire tout en conservant un organisme viable.

Selon un autre rapport de la revue Science, les algorithmes ont formulé des suggestions de modifications aboutissant à des « séquences de protéines ribosomiques non intuitives », qui ont été utilisées pour compenser l’absence de l’acide aminé. À l’état naturel, l’isoleucine est absente de deux des 52 protéines ribosomiques présentes dans la bactérie E. coli. Les chercheurs espéraient donc que leur processus assisté par l’intelligence artificielle pourrait offrir des idées de restructuration viables pour les 50 protéines restantes. Ils ont choisi d’exploiter une partie de ces recommandations pour repousser les limites des bactéries vivantes au sein de leur laboratoire.

Des centaines de générations vers un avenir biotechnologique

Après avoir généré plusieurs itérations qui ont peiné à survivre, les scientifiques ont conçu avec succès une version de la bactérie E. coli dans laquelle 21 protéines ribosomiques ont fonctionné sans la moindre trace d’isoleucine. Bien que cette nouvelle souche ait présenté un taux de croissance légèrement inférieur à celui d’une bactérie classique, elle est parvenue à rester en vie sans « réparer » les altérations subies. Le micro-organisme a produit plus de 450 générations avec ce ribosome génétiquement modifié.

Cette création ne correspond pas exactement à la souche Ec19 initialement recherchée. L’organisme nécessite techniquement toujours 20 acides aminés de manière globale, car la majeure partie de son génome continue d’utiliser l’isoleucine malgré sa suppression systématique des protéines ribosomiques. Les chercheurs restent toutefois optimistes quant à la perspective de redéfinir la vie avec un microbe à 19 acides aminés dans le futur. Une telle avancée pourrait ouvrir la voie à des applications inédites dans les domaines de la biotechnologie, de la biologie synthétique et de la médecine des matériaux. Un exemple vivant d’un microbe survivant avec une telle restriction pourrait livrer de nouveaux secrets sur les prémices de la vie sur Terre et fournir des indices sur d’hypothétiques formes de vie susceptibles d’exister sur d’autres lunes et planètes.

« Bien qu’il y ait encore des spéculations concernant quels acides aminés ont été le plus récemment fixés dans le LUCA, notre étude suggère que le code de l’alphabet des acides aminés moderne pourrait être réduit, » ont-ils déclaré. Ils soulignent l’ampleur de ce travail minutieux en ajoutant : « Nos efforts représentent les changements de séquence ciblés les plus vastes […] tout en introduisant des altérations [significatives]. »

Selon la source : popularmechanics.com