Les cellules comme ordinateurs

Les cellules biologiques devraient un jour être dotées de programmes génétiques artificiels fonctionnant comme des systèmes électroniques. De telles cellules reprogrammées pourraient assumer des tâches médicales dans notre corps, par exemple diagnostiquer ou traiter des maladies. Une application serait des cellules immunitaires modifiées pour lutter contre les cellules tumorales. Les cellules tumorales ayant des caractéristiques génétiques différentes, les cellules combattantes devraient par exemple exécuter le programme biochimique suivant : "Combat une autre cellule si elle est de type X, Y ou Z".

En mathématiques et en électronique, une telle fonction est appelée porte "ou". "On en a toujours besoin dans les processus de décision lorsque plusieurs choses mènent au même résultat, lorsqu'il faut gérer différents inputs en même temps", explique Jiten Doshi, doctorant dans le groupe du professeur ETH Yaakov Benenson au Département des systèmes biologiques de l'ETH Zurich à Bâle. Avec leurs collègues, Doshi et Benenson ont développé pour la première fois dans des cellules humaines ce que l'on appelle une porte Oder. Il s'agit d'une unité de commutation moléculaire qui émet un signal de sortie biochimique lorsqu'elle mesure l'un des deux ou plusieurs signaux d'entrée biochimiques.

Jusqu'à présent, les portes OU mises en œuvre dans les cellules biologiques étaient de conception simple, comme l'explique Benenson. Si, par exemple, une cellule devait libérer une substance active en réponse à un signal X ou à un signal Y, les scientifiques combinaient jusqu'à présent deux systèmes : l'un qui libérait la substance active en réponse au signal X et l'autre qui libérait la substance active en réponse au signal Y. A l'inverse, la nouvelle porte Oder des scientifiques de l'ETH est une véritable porte Oder, dans laquelle il s'agit d'un seul système. Comme dans tous les systèmes biologiques, l'information se présente sous la forme d'une séquence d'ADN. Celle-ci est beaucoup plus courte dans la nouvelle porte, car il s'agit d'un seul système et non de deux systèmes séparés.

Inspiré par la nature

Pour réaliser la porte Oder, les chercheurs de l'ETH utilisent la transcription, ce processus cellulaire au cours duquel l'information est lue à partir d'un gène et stockée sous la forme d'une molécule d'ARN messager. Ce processus est déclenché par certaines molécules de contrôle (facteurs de transcription) qui se fixent de manière spécifique à une "séquence d'activation" (promoteur) dans l'aire initiale d'un gène. Il existe également des gènes avec plusieurs séquences d'activation de ce type. Un exemple est un gène appelé CIITA, qui présente quatre séquences de ce type chez l'homme.

Les chercheurs de l'ETH se sont inspirés de ce gène et ont développé des constructions synthétiques avec un gène responsable de la production d'un colorant fluorescent et qui possède trois séquences d'activation. Un à trois facteurs de transcription et de petites molécules d'ARN se fixent spécifiquement sur chacune de ces séquences. La construction génétique produit le colorant lorsque la transcription est lancée via au moins l'une des trois séquences d'activation - donc via la séquence 1 ou la séquence 2 ou la séquence 3. Les chercheurs ont fait breveter ce nouveau système.

Un cercle se referme

La recherche boucle un cercle, comme le souligne le professeur Benenson de l'ETH. Historiquement, le traitement de l'information s'est développé chez les êtres vivants au cours de l'évolution : Le cerveau des hommes et des animaux est très performant pour capter les données sensorielles, les traiter et réagir en conséquence. Ce n'est qu'à partir du 19e siècle que le développement de composants électroniques commutables a commencé, d'abord avec le relais, puis avec les tubes électroniques et enfin avec les transistors, qui ont permis la construction d'ordinateurs.

Dans leurs recherches, les bio-ingénieurs de l'ETH tentent de réintroduire ces approches mathématiques et électroniques du traitement de l'information dans les systèmes biologiques. "Cela nous aide d'une part à mieux comprendre la biologie, par exemple comment se déroulent les processus de décision biochimiques dans les cellules. D'autre part, cela nous permet de développer de nouvelles fonctions biologiques", explique Benenson. Les chercheurs ont la chance que les cellules biologiques offrent les meilleures conditions pour cela.

Des formes de diagnostic et de thérapie plus complexes

Le traitement cellulaire de l'information doit être utilisé avant tout dans le diagnostic et la thérapie médicaux. "Les thérapies médicales actuelles sont généralement simples : nous traitons souvent les maladies avec un seul médicament, quelle que soit la complexité de la biologie et des causes des maladies", explique Benenson. Cela contraste avec la manière dont l'organisme réagit aux changements extérieurs. Les réactions de stress du corps, par exemple, peuvent être très complexes.

"Notre approche du traitement biomoléculaire de l'information promet de développer à l'avenir des systèmes de diagnostic cellulaire complexes et des formes de thérapie potentiellement plus efficaces grâce à des réseaux génétiques artificiels capables de reconnaître et de traiter différents signaux", explique Benenson. De telles formes de thérapie permettraient par exemple de reconnaître si un état normal est atteint après une thérapie réussie. Un traitement idéal contre le cancer, par exemple, combat les cellules tumorales tant qu'elles sont présentes dans le corps, mais ne s'attaque pas aux tissus sains, car cela causerait des dommages dans le corps.