Les cellules comme ordinateurs
Les cellules biologiques pourraient un jour être équipées de programmes génétiques artificiels qui fonctionnent à peu près de la même manière que les systèmes électroniques. Ces cellules reprogrammées pourraient accomplir des tâches médicales dans notre corps, comme diagnostiquer des maladies ou fournir des traitements. Une application potentielle serait la modification des cellules immunitaires qui combattent les cellules tumorales. Comme les cellules tumorales ont des caractéristiques génétiques différentes, le programme biochimique suivant, par exemple, devrait être exécuté dans les cellules thérapeutiques : «Détruire une cellule si elle est de type X ou Y ou Z.»
En mathématiques et en électronique, une telle fonction est appelée «porte OU». «Elles sont nécessaires dans les processus décisionnels lorsque plusieurs choses différentes conduisent au même résultat, lorsque vous devez traiter des entrées alternatives en même temps», explique Jiten Doshi, doctorant dans le groupe du professeur Yaakov Benenson, au sein du département de science et d'ingénierie des biosystèmes de l'ETH Zurich à Bâle. En collaboration avec leurs collègues, Jiten Doshi et Yaakov Benenson ont pour la première fois développé une porte OU - un élément de commutation moléculaire qui émet un signal biochimique de sortie lorsqu'il mesure un des deux ou plusieurs signaux biochimiques d'entrée - dans les cellules humaines.
Les portes OR précédentes mises en œuvre dans les cellules biologiques étaient assez simples, comme l'explique Yaakov Benenson. Lorsque, par exemple, une cellule était censée sécréter une substance en réponse à un signal X ou à un signal Y, les scientifiques combinaient deux systèmes : un qui sécrétait la substance en réponse au signal X et un autre qui libérait la substance en réponse au signal Y. La nouvelle porte OU des scientifiques de l'ETH Zurich, en revanche, est une véritable porte OU - une porte comprenant un seul système. Comme pour tous les systèmes biologiques, sa conception prend la forme d'une séquence d'ADN. Dans le cas de la nouvelle porte, cette séquence est nettement plus courte car il s'agit d'un seul système plutôt que de deux systèmes distincts.
Inspirée par la nature
Pour réaliser la porte OR, les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich ont utilisé la transcription, processus cellulaire dans lequel l'information d'un gène est lue et stockée sous la forme d'une molécule d'ARN messager. Ce processus est initié par une classe de molécules connues sous le nom de facteurs de transcription, qui se lient de manière spécifique à une «séquence d'activation» (promoteur) d'un gène. Il existe également des gènes qui possèdent plusieurs de ces séquences d'activation. Un exemple est le gène appelé CIITA, qui possède quatre de ces séquences chez l'homme.
Les scientifiques se sont inspirés de ce gène et ont développé des constructions synthétiques avec un gène qui est responsable de la production d'un colorant fluorescent et qui possède trois séquences d'activation. Jusqu'à deux facteurs de transcription, et une ou plusieurs petites molécules d'ARN se lient spécifiquement à chacune de ces séquences et les contrôlent. Le gène construit produit le colorant lorsque la transcription est initiée par au moins une des trois séquences d'activation - c'est-à-dire par la séquence 1 ou la séquence 2 ou la séquence 3. Les scientifiques ont déposé une demande de brevet pour ce nouveau système.
Fermer la boucle
Comme le souligne Yaakov Benenson, cette recherche ferme une boucle. D'un point de vue historique, le traitement de l'information s'est développé chez les êtres vivants au cours de l'évolution : les humains et les animaux sont très doués pour capter les informations sensorielles avec leur cerveau, les traiter et y répondre en conséquence. Ce n'est qu'au XIXe siècle que le développement des composants électroniques commutables a commencé : d'abord avec le relais, puis avec les tubes à vide et enfin avec les transistors, qui ont permis la construction d'ordinateurs modernes.
Dans leurs recherches, les bio-ingénieurs de l'ETH Zurich tentent de ramener ces approches mathématiques et électroniques du traitement de l'information dans les systèmes biologiques. «D'une part, cela nous aide à mieux comprendre la biologie, par exemple la façon dont les processus de décision biochimiques se déroulent dans les cellules. D'autre part, nous pouvons utiliser ces approches pour développer de nouvelles fonctions biologiques», explique Yaakov Benenson. Les scientifiques tirent profit du fait que les cellules biologiques offrent des conditions idéales pour cela.
Des formes plus complexes de diagnostic et de traitement
Ce traitement cellulaire de l'information devrait être utilisé principalement dans le cadre de diagnostics et de traitements médicaux. «Les traitements médicaux actuels sont généralement assez simples : nous traitons souvent les maladies avec un seul médicament, quelle que soit la complexité de la biologie et des causes des maladies», explique Yaakov Benenson. Cela contraste avec la façon dont un organisme réagit aux changements externes. Les réactions de l'organisme au stress, par exemple, peuvent être très complexes.
«Notre approche de traitement de l'information biomoléculaire est prometteuse, car elle utilise des réseaux génétiques artificiels capables d'identifier et de traiter différents signaux pour développer un jour des systèmes de diagnostic cellulaire complexes et des formes de traitement potentiellement plus efficaces», explique Yaakov Benenson. Ces formes de traitement permettraient également de déterminer quand un état normal a été atteint à la suite d'un traitement réussi. Par exemple, un traitement idéal contre le cancer combat les cellules tumorales tant qu'elles sont présentes dans le corps, mais ne combat pas les tissus sains, car cela causerait des dommages.
