Biologie de synthèse

• Au début du XX^e siècle, les travaux de Charles Darwin sur l'évolution sont complétés par la re-découverte des lois de l'hérédité de Mendel. Certains biologistes, tels Hugo de Vries, suggèrent de contrôler et de diriger les mécanismes de l'évolution en laboratoire pour créer de nouvelles formes de vie présentant des propriétés nouvelles.
• On peut retracer l'apparition du terme lui-même à 1910 et 1912, quand Stéphane Leduc (1853–1939), un biologiste français, publia son ouvrage intitulé Théorie physico-chimique de la vie et générations spontanées (1910)[2] et La biologie synthétique (1912), dans lequel il affirme que pour tester la validité de nos connaissances en biologie, la fabrication, ou « synthèse », doit succéder à l'analyse[3] : « Quand on est arrivé à connaître le mécanisme physique de la production d'un objet ou d'un phénomène, (...) il devient possible (...) de reproduire l'objet ou le phénomène, la science est devenue de synthèse. La biologie est une science comme les autres, (...) elle doit être successivement descriptive, analytique et de synthèse. »
• À la même époque, Jacques Loeb, un physiologiste allemand installé aux États-Unis, est sans doute le plus grand promoteur de l'émergence d'une technologie basée sur la biologie.

• La naissance de la biotechnologie « moderne » est généralement datée en 1973 par l'invention des techniques d'ADN recombinant par Stanley Cohen et Herbert Boyer.
• La première synthèse de gène en 1977 a lieu dans le laboratoire de Boyer. Ce travail donne lieu à l'insuline et à la somatostatine recombinantes.
• En 1978, le prix Nobel de médecine est décerné à Werner Arber, Daniel Nathans et Hamilton O. Smith pour la découverte des enzymes de restriction et leur application aux problèmes de génétique moléculaire. Dans un éditorial du journal Gene, Wacław Szybalski (en) écrivait : « Le travail sur les nucléases de synthèse nous permet non seulement de construire aisément les molécules d’ADN recombinant et d’analyser les gènes individuels, mais nous a aussi mené à une nouvelle ère de la biologie de synthèse où non seulement les gènes existants sont décrits et analysés, mais où aussi de nouvelles configurations génétiques peuvent être construites et évaluées. »[4].
• L'invention de la réaction en chaîne par polymérase PCR en 1984 par Kary Mullis révolutionne la biologie moléculaire et le génie génétique.

Les méthodes de biologie moléculaire et plus généralement les concepts guidant le génie génétique n'avaient pratiquement pas changé depuis les années 1970, limitant la construction de circuits génétiques complexes et rendant chaque projet de génie génétique herculéen. De plus, aucune stratégie globale d'investissement sur les technologies de base permettant la fabrication rapide et fiable de composants génétiques à bas coût ou la mise en place de registres de composants biologiques extensivement caractérisés pouvant être réutilisés de façon générique n'avait été mise en place. De ce fait, le génie génétique s'apparentait encore à de l'artisanat plutôt qu'à une véritable science de l'ingénieur. Les concepts-clés de standardisation des composants biologiques utilisés[5], d'« abstraction hiérarchique » et de « découplage » devraient permettre l'utilisation de ces composants dans des systèmes synthétiques de plus en plus complexes.

À la fin des années 90, certains informaticiens se tournant vers la biologie comme Tom Knight au MIT, sont frustrés du manque d'organisation et de méthode du domaine. S'inspirant d'autres sciences de l'ingénieur, Knight introduit le concept de composant standard biologique en créant des Bio-briques (en anglais BioBricks)[6], des composants biologiques aux diverses fonctions pouvant être assemblés par un protocole standardisé. Durant la même période, à l'université de Berkeley, Roger Brent, Robert Carlson, Drew Endy (en) et Adam Arkin parmi d'autres, posent les bases de ce qu'ils appellent alors biologie « intentionnelle » ou « constructive », qui deviendra biologie de synthèse par la suite. Par opposition au génie génétique contemporain qu'ils considèrent comme majoritairement aléatoire, ils prônent une approche rationnelle inspirée des méthodes de sciences de l'ingénieur plus matures pour la conception et la construction de systèmes biologiques aux fonctions prévisibles, et ce de manière robuste. Par la suite, l'IGEM met en place une plate-forme collaborative sous forme de librairie, le Registre des éléments de la biologie de synthèse.

Le congrès Synthetic Biology 1.0 organisé au MIT en 2004 marquera l'acte de naissance « officiel » de la biologie de synthèse contemporaine.

Des généticiens ont recherché quel était le plus petit organisme connu pouvant être cultivé en souche pure dans un environnement dépourvu de stress et fournissant les nutriments nécessaires. Cela était nécessaire pour pouvoir étudier, reproduire (et éventuellement utiliser ou breveter) un génome correspondant approximativement à l'ensemble minimal de gènes indispensables à la vie et à la reproduction d'une bactérie[7].

La bactérie correspondant le mieux à ces critères était à l'époque Mycoplasma genitalium dont le génome (482 gènes codant des protéines, avec 580 kb[8]) était aussi le plus petit connu parmi toutes les espèces connues et pouvant être cultivées[7].

Son génome présente en outre peu de redondance génomique et cette bactérie (parasite obligatoire à niche écologique restreinte) possède un métabolisme minimal[7], et elle commençait à être assez bien connue.

Les gènes essentiels du génome de cette bactéries ont été identifiés à partir de la fin des années 1990 : sur 482 gènes codant des protéines, 382 sont indispensables ; pour 28 % d'entre eux la fonction de la protéine codée est inconnue[7]. L'interruption de certains a accéléré la croissance de la bactérie[7].

• En 2007, c'est donc à partir de Mycoplasma genitalium que Craig Venter a « fabriqué » Mycoplasma laboratorium, la première bactérie dite synthétique, c'est-à-dire entièrement reconstruite par génie génétique autour d'un chromosome de synthèse (Chromosome artificiel bactérien).
  Cette bactérie survit (a priori peut-être éternellement si élevée dans un environnement dépourvu de stress) avec un nombre de gènes inférieur à ce qu'on pensait antérieurement nécessaire. Mushegian and Koonin en comparant les génomes de 2 bactéries aux petits génomes - Haemophilus influenzae (Gram-negative) et Mycoplasma genitalium (gram-positive) - avaient supposé que les 256 gènes orthologues (communs à ces 2 bactéries) étaient un nombre proche du nombre minimal de gènes nécessaire à la vie bactérienne[9]. Gil et son équipe (3) avaient ensuite proposé le chiffre de 206 gènes codant des protéines, sur la base de l'analyse de plusieurs bactéries endosymbiotes.
  Le caractère artificiel de cette bactérie pose de nouvelles questions de bioéthique, d'autant que cette bactérie est un parasite (urogénital) obligatoire et un pathogène pour l'homme (maladie sexuellement transmissible).
• En 2010, le premier organisme contenant un génome intégralement fabriqué par l'homme est décrit dans la Revue Science. Il s'agit d'une souche de Mycoplasma capricolum (en) dont le génome a été retiré et est remplacé par le génome « JCVI-syn1.0 » conçu par l'équipe de Craig Venter, donnant naissance à une souche de Mycoplasma laboratorium de type Mycoplasma mycoides (en) pour laquelle Craig Venter a fait une demande de brevet. Ce génome a été créé par la synthèse de 1 078 oligonucléotides de 1 080 paires de bases, ces 1 078 fragments ont été assemblés en 109 fragments de 10 080 paires de bases, eux-mêmes assemblés en 11 fragments de 100 000 paires de bases finalement réunis au sein du génome circulaire de 1 077 947 paires de bases[10] - [11].
• En 2016, la même équipe a découpé le génome de Mycoplasma mycoides en différents éléments et les a ensuite réassemblés en éliminant les gènes non indispensables, par essai et erreur. Ils sont ainsi arrivés à une cellule minimale de seulement 473 gènes, dont 41 % interviennent dans la régulation du génome, 18 % dans la structuration et le fonctionnement de la membrane, 17 % dans le métabolisme et 7 % dans la préservation du code génétique : restent 17 % de gènes apparemment indispensables mais dont on ne connaît pas la fonction[12].

En 2010, l'iSSB[13] (Institute of Systems and Synthetic Biology) est le premier laboratoire de recherche en biologie de synthèse grâce à l'aide de Genopole, de l'Université d'Évry-Val-d'Essonne et du CNRS.

En 2010, le mSSB[14] (master in Systems and Synthetic Biology) est le premier master en Biologie de synthèse (université Paris-Saclay et université d'Évry-Val-d'Essonne).

Un site « Biologie de synthèse » a été ouvert par le gouvernement en 2011[15] qui promeut ce volet de la biologie, peu après qu'un rapport de l'OPECST a porté sur la faisabilité de certaines applications[16] qui porte notamment sur les « enjeux de la gouvernance, ils touchent respectivement à des positions diamétralement opposées sur l'appréciation et la gestion des risques, à l'adéquation du droit de la propriété intellectuelle et des brevets, à la question de l'opportunité d'un débat public — en particulier sur l'acceptation sociale de ces avancées — et aux problèmes de formation et de financement de la recherche »[16].

C'est à la suite des recommandations portées par deux rapports plus récents[17] - [18], que l'observatoire de la biologie de synthèse[19] a été créé pour répondre au souci du ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche de suivre le développement de la biologie de synthèse et de favoriser la tenue d'un débat équilibré et argumenté au sein de la société.

Les biologistes cherchant à connaître le fonctionnement des systèmes vivants naturels, certains ont proposé de vérifier leur compréhension actuelle du vivant en construisant un exemplaire (ou une version d'exemplaire) synthétique d’un système vivant. Le travail avant-gardiste de Michael Elowitz[20] sur les répressilateurs[21] est un exemple d’une telle approche : Elowitz avait conçu un modèle mathématique du fonctionnement d'un oscillateur génétique dans les cellules vivantes. Pour le vérifier, il construisit une molécule d’ADN contenant le circuit selon son modèle, la plaça dans des bactéries et analysa le comportement du circuit. De légères différences entre ce qu’il attendait et ce qu’il observa mirent en lumière qu’une nouvelle discipline scientifique valait d’être créée. De tels travaux utilisent beaucoup de mathématiques pour prédire et modéliser la dynamique des systèmes biologiques avant de les reconstruire ou d'en construire de nouveaux expérimentalement. Une large palette de méthodes mathématiques ont été utilisées avec une précision variable, les plus utilisées pour décrire les interactions entre molécules et les réactions enzymatiques étant les équations différentielles ordinaires et les équations différentielles stochastiques. La théorie des graphes et les réseaux booléens ont été aussi utilisés. Parmi les exemples probants, citons les travaux d’Adam Arkin[22] et Alexander van Oudenaarden[23] ; voir aussi le numéro spécial de PBS Nova sur la vie artificielle[24].

Les ingénieurs du domaine des biotechnologies voient la biologie comme une technologie de base. La biologie de synthèse inclut une large redéfinition et extension de la biotechnologie, avec le but d’être capable de concevoir et construire des systèmes biologiques fabriqués qui traitent l’information, manipulent les éléments chimiques, produisent de l’énergie ou des molécules (nouveaux polymères, aliments, médicaments...) susceptible d'améliorer l'environnement voire l'homme. Un des aspects qui distingue la biologie de synthèse du génie génétique conventionnel est sa forte attention à développer des technologies fondamentales rendant le génie biologique plus facile et plus fiable.

Dans les années 2000-2010, trois façons de faire du neuf dans le Vivant (metabolic design pour les anglophones) semblent biotechnologiquement possibles[25] :

1. à partir de l'inanimé prébiotique, c'est-à-dire en utilisant des acides aminés nouveaux construit à partir de « briques élémentaires » disponibles ou à créer.
2. de manière parabiotique (à côté du vivant, en le modifiant), en considérant que les conditions initiales et l'évolution sont imparfaites et qu'on peut les améliorer. C'est notamment le cas de la xénobiologie.
3. de manière post-biotique ; il s'agit alors de « corriger », « améliorer » ou transformer les créatures vivantes pour en faire de nouvelles formes de vie « utiles » et « captives » (non susceptibles de pulluler) ; c'est un des projets de la biologie de synthèse. Ainsi, aux États-Unis, Craig Venter a lancé une entreprise de fabrication de génomes artificiels, visant la reprogrammation de cellules bactériennes par automates de synthèse d'ADN. On sait déjà « écrire » de nouvelles phrases d'ADN, mais aujourd'hui on ne sait pas prédire si ces instructions artificielles seront lues et exprimées par la cellule, ni si l'organisme ainsi modifié sera viable.

Du point de vue de la chimie organique, les systèmes biologiques sont des systèmes physiques composés de matériaux chimiques. Il y a environ cent ans, la chimie passa de l’étude des matériaux chimiques naturels à la conception et l’élaboration de nouveaux matériaux chimiques. Cette transition inaugura le domaine de la chimie de synthèse. Dans le même esprit, certains aspects de la biologie de synthèse peuvent être vus comme une extension et une application de la chimie de synthèse à la biologie, et inclure des travaux allant de la création de nouveaux matériaux biochimiques jusqu’à l’étude des origines de la vie. Les groupes d’Eric Kool (en)[26] à Stanford, de Steven A. Benner (en)[27] à l’université de Floride, de Carlos Bustamante (en)[28] à Berkeley et de Jack Szostak[29] à Harvard sont de bons exemples de cette tradition. Parmi les exemples de biologie de synthèse figurent les travaux pionniers de Tim Gardner et Jim Collins (en) sur une construction d'un interrupteur génétiquement encodé[30] et la compétition internationale des machines génétiquement modifiées[31] basées sur le registre des pièces biologiques standardisées ou « Biobriques »[32],.

Une application phare de la biologie de synthèse est la construction de voies métaboliques responsables de la synthèse de composés d'intérêts tels médicaments, biocarburants ou polymères. Un bon exemple est le travail du laboratoire de Denis Pompon au CNRS en France qui fut le premier à réussir le transfert d'une voie métabolique de mammifères dans la levure : la voie de biosynthèse de l'hydrocortisone à partir d'un sucre simple dans le milieu de culture de la levure remaniée[33] - [34] en y intégrant huit gènes de mammifères impliqués dans la voie de biosynthèse des hormones stéroïdes et en modifiant quatre gènes de levure pour éliminer des réactions parasites induites par l'introduction et l'expression de ces gènes étrangers. Huit ans plus tard, Jay Keasling à l'université de Berkeley a reconstitué chez la levure la voie de synthèse d'un composé antimalarique, l'artemisinine, en y intégrant les gènes des enzymes de la plante produisant la substance dans la nature[35]. En 2014, Christina Smolke a modifié des levures en leur « greffant » un gène synthétique de transformation de la réticuline, construit à partir d'extraits de séquence d'ADN issus de 23 autres organismes, pour les transformer en productrices d'opioïdes[36].

Les « réécrivains » sont des biologistes de synthèse souhaitant vérifier l’idée que, puisque les systèmes biologiques naturels sont si compliqués et pas nécessairement optimaux, ils feraient mieux de reconstruire le système naturel qui nous intéresse à partir de zéro, afin de fournir des engineered surrogates (substituts artificiels) plus faciles à comprendre et avec lesquels l’interaction soit plus facile. Ils tirent leur inspiration du réusinage, une procédure parfois utilisée pour améliorer les logiciels. Drew Endy et son groupe[37] ont effectué quelques travaux préliminaires sur la réécriture[38]. Les oligonucléotides récoltés depuis une puce à ADN fabriquée par photolithographie ou jet d’encre DNA chip combinés avec les corrections d’erreurs d’ADN permettent des changements de codons à vaste échelle dans les systèmes génétiques pour améliorer l’expression génétique ou incorporer des amino-acides novateurs[39]. Tout comme dans l’exemple ci-dessus du T7, ceci favorise une approche ex nihilo de la synthèse.

En 2019, plusieurs articles concernant la réécriture ont été publiées, notamment une sur la synthèse de quatre bases artificielles qui peuvent s'insérer dans l'ADN sans perturber sa structure thermodynamique[40] ainsi qu'une autre sur le recodage entier du génome d'E. coli[41].

La synthèse du Hachimoji a pu démontrer que la nature dispose de plusieurs façons de fabriquer l'ADN et de stocker et transmettre l'information génétique[40]. Les chercheurs au Japon ont fait plusieurs expériences démontrant que l'addition de ces bases ne perturbent pas la structure de l'ADN et que les séquences contenant ces bases peuvent subir un certain taux de mutation et donc peuvent évoluer comme toute autre séquence d'ADN naturelle. De plus, cette addition artificielle permet aussi de potentiellement augmenter la densité d'informations contenues dans une molécule d'ADN, (avec plus de bases à disposition, il existe plus de choix de combinaisons et donc plus d'information peut se trouver dans un même espace) ce qui pourrait donner des formes de vie encore plus complexes. Surtout intéressant pour les domaines tels que l'astrobiologie, cette synthèse permet d'élargir les critères de recherche de la vie extraterrestre.

Le recodage du génome complet de la bactérie E. coli[41] avait pour but de démontrer qu'un organisme n'a pas besoin de 64 codons (dont la plupart qui sont redondants) pour être fonctionnel. Les chercheurs ont alors réécrit tout le génome mais en n'utilisant que 61 codons, ce qui libère 3 codons déjà existants dans l'organisme qui peuvent être utilisés pour coder des acides aminés synthétiques et donc la création de nouvelles protéines. Cette étude a alors montré qu'il est possible de profiter de la redondance déjà existante dans le code génétique dans le but d'intégrer des acides aminés artificiels et que la simplification du génome n'affecte pas la survie de l'organisme.

Nouveaux objectifs de la biologie de synthèse appliquée : Les médias et la littérature spécialisée citent notamment :

• la construction de nouvelles voies métaboliques « sur-mesure » présentée comme nécessaire à une industrie chimique moins polluante et moins consommatrices d'énergie[25] ;
• la diversification et l'optimisation des utilisations du carbone, de l'azote, de l'hydrogène... (en consommant moins d'énergie)[42]. 25 % du tonnage de fixation de l'azote sur la planète serait déjà anthropique (industrie, engrais) et cette activité est très consommatrice d'énergie et de ressources peu renouvelables ;
• création d'habitats industriels synthétiques et biosynthétisés : avec des organismes utilisés seuls ou collectivement, mais de manière contrôlée, pour produire des molécules ou objets[25] ;
• trouver des alternatives aux OGM actuels qui posent trop de problèmes de risques de pollution génétique. Ici, les « bifurcations évolutives » fortes sont présentées comme empêchant la pollution génétique (par exemple par Philippe Marlière qui cite l'exemple du CEA à Évry qui vise la conception et création de bactéries modifiées pour capter le carbone du CO₂ via le formaldéhyde, ou par d'autres voies autres que les voies métaboliques habituelles, avec l'espoir de fixer le CO₂ d'une manière énergétiquement plus rentable[25].
• Certains[25] veulent — à partir du langage génétique connu, réputé « universel » — produire et rendre disponible et commercialisables des batteries d'instructions génétiques faciles à réassembler dans des organismes existants (bactéries en général, car relativement faciles à élever en bioréacteurs) ou nouveaux.
  Ils voudraient utiliser l'exaptation (notion de « potentiel adaptatif » inventée par Stephen Jay Gould pour décrire la capacité du vivant à détourner au cours de l'évolution une fonction ou un organe pour un autre usage ; par exemple : la plume des dinosaures a probablement eu une fonction de protection thermique de l'animal ou de signal visuel avant de devenir la plume qui a permis la maîtrise du vol). Il existerait alors des risques significatifs et potentiellement graves de pollution génétique (voir paragraphe sur la sécurité).

Les biologistes de synthèse utilisent les méthodes de séquençage de l'ADN de plusieurs façons : d'abord en utilisant les résultats du séquençage de génomes à grande échelle qui sont une mine d'informations sur les organismes d'origine naturelle. Les biologistes de synthèse en tirent des modèles et molécules les aidant à construire des composants biologiques et des circuits génétiques. Les biologistes de synthèse utilisent aussi le séquençage de manière extensive pour vérifier l'exactitude de la séquence d'ADN des systèmes qu'ils fabriquent. Enfin, un séquençage rapide, économique et fiable peut aussi faciliter la détection et l'identification rapides des systèmes et d'organismes de synthèse.

Aujourd'hui, la biologie de synthèse est limitée par le temps et les efforts (et donc le coût) associés à la fabrication de séquences d'ADN composant les circuits génétiques. Pour accélérer le cycle de conception, fabrication, d'essais et de reconception, la synthèse de novo d'ADN et l'assemblage de fragments d'ADN, processus communément appelés la synthèse de gènes, doivent devenir plus rapides, plus fiables, et moins onéreux.

En 2002, après 2 ans de travail, des chercheurs du SUNY Stony Brook ont annoncé avoir synthétisé les bases de la séquence publiée du génome du poliovirus (7741 pb), qui est le premier organisme synthétique déclaré[43]. En 2003, le génome du bactériophage Phi X 174 (5386 pb) a été assemblé en environ deux semaines par l'Institut de Craig Venter[44]. En 2006, la même équipe a construit et breveté le génome synthétique d'une nouvelle « bactérie minimale » Mycoplasma laboratorium et travaille à obtenir son fonctionnement dans une cellule vivante[45] - [46].

En 2007, plusieurs sociétés offraient la synthèse des séquences génétiques jusqu'à 2 000 paires de bases, pour un prix d'environ 1 $ par paire de bases et d'un temps de fabrication de moins de deux semaines[47]. En 2009, le prix a chuté à moins de 0,50 $ par paire de base tout en étant plus rapide. Ces prix sont jugés inférieurs au coût du clonage par des techniques conventionnelles, et le système commun de tarification des entreprises rend pratique et économiquement intéressant pour les chercheurs la conception et la commande de plusieurs variantes de la même séquence pour identifier des gènes ou des protéines avec des performances optimisées (meilleur usage de codons selon l'organisme par exemple).

Les modèles mathématiques aident à concevoir des circuits génétiques et des systèmes biologiques en permettant de mieux prédire le comportement du système et de l'optimiser avant sa fabrication. La biologie de synthèse cherche à améliorer les modèles de réactions enzymatiques et d'interactions moléculaires, et à mieux comprendre le comportement des systèmes multi-composants. Récemment, des modèles multi-échelle de circuits génétiques mettant l'accent sur les applications de la biologie de synthèse ont été développés. Des simulations aident à modéliser les interactions biomoléculaires en jeu dans les processus de transcription, de traduction, et diverses régulation, et guident la conception de systèmes synthétiques[48].

Des mesures quantitatives précises du comportement des systèmes biologiques sont essentielles pour mieux comprendre le fonctionnement des systèmes biologiques et appuyer la production de modèles et leur validation. Les différences entre les prévisions du modèle et les mesures expérimentales du système aident à identifier les lacunes dans la compréhension et à expliquer pourquoi les systèmes biosynthétiques ont souvent un comportement imprévu. Des technologies de mesures cinétiques en parallèle complètent utilement la microscopie et la cytométrie de flux. La microfluidique devrait bientôt permettre de faire un grand nombre de mesures en parallèle, à moindre coût et plus vite.

• Sénat français, Les enjeux de la biologie synthétique - présentation de l'étude de faisabilité, Comptes rendus de l'Office parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques ; 15/02/2011
• Commission européenne, (2016) Synthetic biology and biodiversity ; Science for Environment Policy (2016) ; Future Brief 15. Produced for the European Commission DG Environment by the Science Communication Unit, UWE, Bristol. (http://ec.europa.eu/science-environment-policy), PDF, 36 pages

• Entretiens vidéo avec des experts et des ONG (en anglais)
• L'ABC de la biologie de synthèse, CNRS, 2015
• Conférence filmée Comment et pourquoi faire des formes de vie nouvelle, de Philippe Marlière, l'un des promoteurs de la biologie de synthèse (vidéo de 79 min)
• Commentaire critique de l'article de François Képès, “La biologie de synthèse : vers une ingénierie du vivant”, paru dans le magazine scientifique Pour la Science n^o 440 de juin 2014.
• Site de l'Observatoire français de la biologie de synthèse (créé en 2012)
• Site gouvernemental français biologie de synthèse (créé en 2011)