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Ingénieurs scientifiques cellules vivantes comme "portes logiques"
Dans une étape qui rapproche le jour des ordinateurs cellulaires, une équipe de scientifiques américains de la faculté de médecine de l’Université John Hopkins aux États-Unis a conçu des cellules vivantes pour se comporter comme des portes logiques., ou des unités de calcul biologiques simples qui produisent certaines sorties en réponse à certaines combinaisons d’entrées.
Dans le numéro de mai de Nature Biologie Chimique, auteur principal Takanari Inoue, professeur adjoint au Département de biologie cellulaire de Johns Hopkins et membre du Centre for Dynamique cellulaire de l'Institut des sciences biomédicales de l'Université et collègues, décrivent comment ils ont conduit les cellules de mammifères à se comporter comme AND et OR des portes logiques.
Au c?ur de chaque ordinateur numérique se trouvent des «portes logiques» qui exécutent des opérations booléennes ou logiques telles que NOT, AND et OR. Ces portes reconnaissent et répondent en comprenant seulement deux états: True (1) et False (0).
Par exemple, la porte ET a deux entrées et ne délivre un 1 que lorsque les deux entrées sont 1. Donc pour cette porte, parmi les quatre combinaisons d'entrées possibles 00, 01, 10 et 11, seule la combinaison 11 produit un 1; les trois autres combinaisons donnent un 0.
La porte OU a également deux entrées, mais elle produit un 1 lorsque l’un ou les deux est un 1. Ainsi, parmi les quatre combinaisons possibles 00, 01, 10 et 11, seul le 00 conduit à 0, pour les trois autres combinaisons, la porte OU fournit un 1.
Dans les ordinateurs électroniques, les portes logiques sont des composants à base de silicium, et les états True et False (1 et 0) sont représentés par la présence ou l'absence d'un courant électrique.
Imaginez maintenant que vous puissiez créer un processeur logique similaire dans une cellule. Quels composants et fonctionnalités pourriez-vous utiliser? Une approche consiste à utiliser la machinerie génétique à l'intérieur des cellules, ce qui a déjà été fait. Des études antérieures ont utilisé la trascription, processus par lequel les cellules lisent des gènes pour fabriquer des protéines, afin de générer des résultats. Mais c'est lent et peut prendre de quelques minutes à quelques jours. Et le besoin de rapidité est un facteur clé dans cette recherche, comme l'explique Inoue:
"Les gens aiment avoir un calcul rapide. Nous espérions obtenir un calcul en cellules de l'ordre de quelques secondes, ce qui est beaucoup plus rapide que ce que les gens ont réalisé jusqu'à présent."
Ainsi, Inoue et ses collègues ont décidé d'essayer de développer un système basé sur les protéines cellulaires.
Pour ce faire, ils ont utilisé une technique appelée dimérisation chimiquement inductible (CID) qui utilise des mécanismes biologiques naturels pour fusionner deux protéines en un complexe en présence d'un produit chimique.
Étant donné que les portes AND et OR créent des sorties basées sur deux entrées différentes, ensemble ou séparément, l’équipe avait besoin de deux systèmes CID différents qui ne se concurrençaient pas ou se chevauchaient.
Ils s'appuyaient sur un système CID étudié pendant des années, qui réunit les protéines animales FRB et FKBP en présence d'un médicament appelé rapamycine, dérivé de bactéries.
En outre, ils ont utilisé un second système CID qui réunit les deux protéines végétales GID1 et GAI, en présence d'une hormone végétale appelée gibbérelline.
Inoue a expliqué que le système de gibbérelline étant basé sur les plantes, il ne fait pas concurrence à la rapamycine d'origine animale.
Ses collègues et lui ont conçu des cellules de mammifères qui fabriquent les quatre protéines, ainsi qu'une réponse, lorsque les deux bonnes protéines sont réunies.
Ainsi, lorsque FRB et FKBP ou GID1 et GAI se sont assemblés, la membrane de la cellule a développé des "volants" faciles à voir au microscope.
Pour rendre la porte OU, FRB et GAI étaient liés ensemble à la membrane cellulaire, tandis que FKBP et GID1 étaient liés ensemble flottant librement dans la cellule. L'opération OR s'est produite en ajoutant de la rapamycine OU de la gibbérelline OU les deux, car l'une d'entre elles a entraîné la liaison libre de la paire à la paire au niveau de la membrane pour produire le signal de sortie.
Pour faire la porte ET, l’équipe a mis juste GAI à la membrane de la cellule, et a juste eu FRB et une combinaison de FKBP et GID1 flottant librement dans la cellule. Dans ce système, les quatre protéines devaient se relier pour générer un signal de sortie qui ne se produisait que lorsque la rapamycine ET la gibbérelline étaient présentes.
Lorsqu'ils ont testé ces systèmes, l'équipe a constaté qu'ils avaient produit les réponses requises rapidement, en quelques secondes seulement.
Comme deuxième preuve de principe, ils ont également testé le système en utilisant la fluorescence comme signal de sortie requis. Ils ont trouvé que c'était aussi rapide.
Inoue a déclaré qu’il serait éventuellement possible d’utiliser ces méthodes pour construire des circuits logiques plus grands et plus complexes et que les ordinateurs soient basés sur des cellules.
En attendant, ces systèmes pourraient être utilisés plus ou moins tels quels: par exemple, ils pourraient produire des résultats spécifiques en présence de certains produits chimiques, un outil de diagnostic utile.
Une autre utilisation potentielle est d'étudier comment les cellules produisent naturellement des extrants pour réguler les fonctions corporelles.
Les fonds de l'Institut national de la santé (NIH), de la Fondation nationale des sciences et du Centre national des ressources de recherche du NIH et de la feuille de route des NIH pour la recherche médicale ont contribué à financer cette étude.
Écrit par Catharine Paddock PhD
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