Selon le dernier numéro de la revue Cell, des scientifiques américains ont créé une « cellule vivante minimale » dont le génome est réduit à sa plus simple expression, ainsi qu’un modèle informatique de la cellule qui reflète son comportement. En affinant et en testant le modèle, les scientifiques affirment qu’ils sont en train de mettre au point un système permettant de prédire comment les modifications du génome, des conditions de vie ou des propriétés physiques des cellules vivantes vont altérer leur fonction.
Les plus petites cellules ont des génomes rationalisés qui portent les gènes nécessaires à la réplication de l’ADN, à la croissance, à la division et à la plupart des autres fonctions qui définissent la vie, a déclaré Zanda Lucy Schulten, professeur de chimie à l’université de l’Illinois à Urbana, aux États-Unis. Les chercheurs ont déclaré : « La nouveauté ici est que nous avons développé un modèle 3D, entièrement dynamique, de la dynamique de la plus petite cellule vivante qui simule ce qui se passe dans une cellule réelle. »
La simulation cartographie l’emplacement précis et les caractéristiques chimiques de milliers de composants cellulaires dans un espace 3D à l’échelle atomique. Il permet de savoir combien de temps il faut à ces molécules pour diffuser et se rencontrer dans la cellule, quelles réactions chimiques se produisent lors de leur diffusion et quelle quantité d’énergie est nécessaire à chaque étape.
Pour construire les plus petites cellules, les scientifiques de l’Institut Craig Venter (JCVI) en Californie, aux États-Unis, se sont tournés vers la cellule vivante la plus simple, le mycoplasme, une bactérie qui parasite d’autres organismes. Dans les études précédentes, l’équipe du JCVI a construit un génome synthétique et a cultivé les cellules dans un environnement enrichi de tous les nutriments et facteurs nécessaires à la maintenance des cellules. Pour cette nouvelle étude, l’équipe a ajouté certains des gènes pour améliorer la viabilité de la cellule. Ces cellules sont plus simples que les cellules naturelles et donc plus faciles à modéliser sur un ordinateur.
La simulation d’un élément aussi vaste et complexe qu’une cellule vivante repose sur des données issues de décennies de recherche, a déclaré M. Schulten. Pour construire le modèle informatique, les chercheurs ont dû prendre en compte les propriétés physiques et chimiques de l’ADN, des lipides et des acides aminés de la cellule, ainsi que les mécanismes de transcription des gènes, de traduction et de construction des protéines. Ils ont également dû simuler la façon dont chaque composant se diffuse dans la cellule, en suivant l’énergie requise pour chaque étape du cycle de vie de la cellule.
Ces simulations ont permis aux chercheurs de comprendre comment les cellules « équilibrent leur métabolisme, leurs processus génétiques et leurs besoins de croissance ». Par exemple, le modèle montre que les cellules utilisent la majeure partie de leur énergie pour importer des ions et des molécules essentiels dans leurs membranes cellulaires. En effet, les mycoplasmes obtiennent d’autres organismes la plupart des substances dont ils ont besoin pour survivre.
Selon les chercheurs, le modèle simule toutes les réactions chimiques au sein d’une minuscule cellule, de sa naissance à sa division deux heures plus tard. Ce modèle cinétique 3D entièrement dynamique de la plus petite cellule vivante ouvre une fenêtre sur le fonctionnement interne de la cellule, montrant comment tous les composants cellulaires interagissent et changent en réponse à des signaux internes et externes, et aidera les chercheurs à mieux comprendre les principes fondamentaux de la vie.
