Biologie synthétique

La biologie synthétique est un domaine scientifique combinant biologie et principes d'ingénierie dans le but de concevoir et construire (“synthétiser”) de nouveaux systèmes et fonctions biologiques.

Un biofilm bactérien programmable par la lumière construit par les équipes iGEM de l'UT Austin / UCSF durant la compétition de biologie synthétique Igem 2004 [2]

Objectifs

Les objectifs de la biologie synthétique sont de deux types :

1/ Tester et améliorer notre compréhension des principes gouvernant la biologie (apprendre en construisant).

2/ Construire de façon fiable des organismes accomplissant des fonctions biologiques complexes répondant à diverses applications (énergie, santé par exemple).

Concepts

Dans sa phase actuelle, les efforts en biologie synthétique visent à rendre le génie biologique plus simple, plus rapide, plus accessible et moins onéreux en faisant un usage extensif de principes d'ingénierie (standardisation, automation, conception assistée par ordinateur…) ayant fait leurs preuves dans d’autres domaines plus matures tels le génie civil ou l’électronique. La biologie synthétique doit cependant affronter des défis d'ingénierie uniques au substrat biologique, tels la compréhension incomplète des principes de fonctionnement des systèmes biologiques ou l'évolution.
Modifier le vivant pose aussi des questions philosophiques et éthiques nouvelles et complexes, en relançant la question de la brevetabilité du vivant ou de ses produits et plus généralement de la propriété intellectuelle.

Histoire

Première génération : les années 1900

• Au début du 20^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) ^[1] 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^[2] : « 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 synthétique. La biologie est une science comme les autres, (...) elle doit être successivement descriptive, analytique et synthétique. »
• 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.

Naissance du génie génétique : les années 1970-1980

• 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 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. »^[3].
• L'invention de la réaction en chaîne par polymérase PCR en 1984 par Kary Mullis révolutionne la biologie moléculaire et le génie génétique.

Renaissance : les années 2000

À la fin des années 90, certains informaticiens se tournant vers la biologie comme Tom Knight (en) 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 standard biologique en créant des "BioBricks^[4]", 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 et Adam Arkin parmi d'autres, posent les bases de ce qu'ils appellent alors biologie "intentionnelle" ou "constructive", qui deviendra biologie synthétique 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.
Le congrès Synthetic Biology 1.0 organisé au MIT en 2004 marquera l'acte de naissance « officiel » de la biologie synthétique contemporaine.

Le premier organisme utilisant un génome synthétique

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 ^[5].
La bactérie correspondant le mieux à ces critères était à l'époque Mycoplasma genitalium dont le génome (482 gènes codant pour des protéines, avec 580 kb ^[6]) était aussi le plus petit connu parmi toutes les espèces connues et pouvant être cultivées ^[5].
Son génome présente en outre peu de redondance génomique et cette bactérie (parasite obligatoire à niche écologique restreinte) possède un métabolisme minimal ^[5], 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 ; 482 sur 382 gènes (soit 28% du génome) codait pour des protéines aux fonctions vitales, le reste codant pour des fonctions inconnues, apparemment non vitales ou redondantes^[5]. L'interruption de certains a accéléré la croissance de la bactérie ^[5].

• En 2007, c'est donc à partir de Mycoplasma genitalium qu'a été « fabriquée » Mycoplasma laboratorium, la premières bactérie dite synthétique, c'est-à-dire entièrement reconstruite par génie génétique autour d'un chromosome de synthèse (Chromosome artificiel bactérien).
  Cette bactérie survit (à 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^[7]. Gil et son équipe (3) avaient ensuite proposé le chiffre de 206 gènes codant pour 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 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 pour la quelle 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^[8],[9].

En France

Un site "Biologie de synthèse" a été ouvert par le gouvernement en 2011 ^[10] qui promeut ce volet de la biologie, peu après qu'un rapport du de l'OPECST ait porté sur la faisabilité de certaines applications^[11] 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 »^[11]

Méthodes

Les méthodes de biologie moléculaire et plus généralement les concepts guidant le génie génétique n'ont 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 librairies de composants biologiques extensivement caractérisés pouvant être réutilisés de façon générique n'a à ce jour été mise en place. De ce fait, le génie génétique s'apparente encore à de l'artisanat plutôt qu'à une véritable science de l'ingénieur. Par exemple, les concepts-clés de standardisation des composants biologiques utilisés, d'"abstraction hiérarchique" et de "découplage" devraient permettre l'utilisation de ces composants dans des systèmes synthétiques de plus en plus complexes^{[réf. nécessaire]}.

Applications

Mieux comprendre la biologie

Les biologistes cherchant à connaître le fonctionnement des systèmes vivants naturels, certains ont proposé de vérifier leur compréhension actuelle du vivant en construire un exemplaire synthétique(ou une version) d’un système vivant. Le travail avant-gardiste de Michael Elowitz^[12] sur les répressilateurs^[13] 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 ^[14] et Alexander van Oudenaarden^[15] ; voir aussi le numéro spécial de PBS Nova sur la vie artificielle^[16].

Ingénierie du vivant

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 synthétique 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 (« métabolic design » pour les anglophones) semblent biotechnologiquement possibles^[17]:

• 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 synthétique. Craig Venter a ainsi aux États-Unis 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 on ne sait pas aujourd'hui prédire si ces instructions artificielles seront lues et exprimées par la cellule, ni si l'organisme ainsi modifié sera viable.

Chimie, biochimie et néocodage du vivant

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 synthétique 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^[18] à Stanford, de Steven Benner^[19] à l’université de Floride, de Carlos Bustamante ^[20] à Berkeley et de Jack Szostak^[21] à Harvard sont de bons exemples de cette tradition. Parmi les exemples de biologie synthétique figurent les travaux pionniers de Tim Gardner et Jim Collins sur un construction d'un interrupteur génétiquement encodé ^[22], le Registre des Pièces Biologiques Standardisées ou"Biobriques"^[23], et la Compétition Internationale des Machines Génétiquement Modifiées^[24].

Ingénierie métabolique

Une application phare de la biologie synthétique 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 de Jay Keasling à l'université de Berkeley qui 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 ^[25]

Réécriture

Les « réécrivains » sont des biologistes synthétiques 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 plus faciles à comprendre et avec lesquels l’interaction soit plus facile. Les réécrivains tirent leur inspiration du réusinage, une procédure parfois utilisée pour améliorer les logiciels. Drew Endy et son groupe ^[26] ont effectué quelques travaux préliminaires sur la réécriture^[27]. 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^[28]. Tout comme dans l’exemple ci-dessus du T7, ceci favorise une approche ex nihilo de la synthèse.

Exemples d'applications

Nouveaux objectifs de la biologie synthétique 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^[17] ;
• la diversification et l'optimisation des utilisations du carbone, de l'azote, de l'hydrogène.. (en consommant moins d'énergie). 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^[17] ;
• 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^[17].
• Certains^[17] 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 et/ou un organe pour un autre usage ; par exemple : la plume des dinosaures a probablement eu une fonction de protection thermique de l'animal et/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).

Sécurité

Les systèmes vivants font preuve de fortes capacités d'adaptation. Produire des formes de vies artificielles, ou des processus métaboliques n'existant pas dans la nature invite donc à la prudence et à l'application du principe de précaution. En termes de biosécurité, les promoteurs de la biologie synthétique proposent généralement de combiner au moins trois types de verrous^[17] ;

1. le confinement trophique (ou nutritionnel) : il s'agirait de créer un organisme nécessitant des substances rares ou inconnues dans la nature pour survivre (vitamines artificielles catalyseurs non présent dans la nature ou n'intervenant pas ou peu dans le vivant comme le Fluor, ou la silice..)
2. le confinement évolutif : il s'agit de créer des organismes modifiés, recombinants (par exemple des bactéries « reprogrammées »et conçues pour être mal adaptéees à la survie autonome dans la nature. Pour réduire les coûts de production, il est déjà relativement facile de massivement produire des organismes neufs recombinants (organismes reprogrammés) sans équivalents naturels. S'ils sont très différents et fortement altérés, ils sont peu viables dans le milieu naturel. L'utilisation de tels organismes, dits loosers (ex : bactérie "amoindries" rendues si peu compétitives face aux formes "sauvages" qu'elles ne survivront que cultivées en condition optimale artificiellement entretenue par l'homme). Ceci est une forme de sécurisation du dispositif, mais qui induit un coût d'entretien du milieu et de la population considérés.
   Philippe Marlière note cependant qu'il suffirait ensuite de soumettre cette masse d'organismes à un processus de type sélection naturelle pour sélectionner les individus et souches les plus aptes à survivre (possible avec bactéries grâce à leur taux rapide de reproduction). mais cette solution pose à nouveau la question des risques de fuites dans le milieu naturel d'un organisme ou d'un élément génomique devenu "compétitif", voire supercompétitif (« gagnant » ou « winner ») .
3. le confinement sémantique (grille de lecture génétique, changement de codons). Certains proposent de créer un nouveau code génétique avec des gènes et/ou des bases (parce que synthétique) ne pouvant se mélanger avec notre ADN ou celui d'organismes sauvages. ou encore ou de produire des organismes artificiels ne pouvant pas spontanément échanger de gènes entre eux ou avec d'autres^[17].
   On a aussi envisagé pour les OGM classiques de construire des organismes programmés pour se suicider ou ne pas pouvoir se reproduire (ex : gène terminator, inhibition de la reproduction...).

Dans les conditions scientifiques et techniques actuelles, aucun de ces trois « verrous » n'offre à lui seul de protection absolue, certaine ou définitive^[17], car on ne peut exclure d'adaptations inattendues suite à des mutations spontanées, ou échanges de gènes avec d'autres organismes sauvages, artificiels ou modifiés. C'est selon les promoteurs de leur utilisation la combinaison de ces trois barrières qui devrait fortement et en théorie renforcer la sécurité face à des phénomènes d'adaptation biologique (un peu à la manière d'une trithérapie, mais même la trithérapie a ses limites puisqu'un variant semblant résistant du virus HIV/SIDA est assez rapidement apparu en Amérique du Nord suite la trithérapie développée pour bloquer les adaptations de ce virus à ARN, qui comme celui de la grippe ne cesse de muter).
Les applications biotechnologiques qui apparaissent intègrent de plus en plus de précautions, car les adaptations récentes et parfois spectaculaires de nombreux microbes aux antibiotiques, de plantes aux désherbants, de champignons aux fongicides, d'insectes aux insecticides) et les problèmes nosocomiaux croissant et persistant ont montré ou confirmé les puissantes capacités évolutives et adaptatives du vivant. Par ailleurs, le confinement total peut rarement être garanti, surtout si ces usages se généralisent.

Technologies clés

Plusieurs technologies sont nécessaires au développement de la biologie synthétique. En particulier, la lecture et l'écriture de l'ADN (séquençage et fabrication), sont essentielles. Leur prix et leurs performances s'améliorent de façon exponentielle (Kurzweil, 2001). De plus, des mesures précises du comportement des systèmes synthétiques dans diverses conditions sont nécessaires å la modélisation précise des systèmes biologiques et à la conception assistée par ordinateur (CAO).

Séquençage

Les biologistes synthétiques utilisent les méthodes de séquençage de l'ADN dans leur travail de plusieurs façons. Premièrement, les efforts de séquençage de génomes à grande échelle continuent à fournir une mine d'informations sur les organismes d'origine naturelle. Cette information fournit un riche substrat à partir duquel les biologistes synthétiques peuvent construire des composants biologiques et des circuits génétiques. Deuxièmement, les biologistes synthétiques utilisent le séquençage de manière extensive afin de vérifier l'exactitude de la séquence d'ADN du système qu'ils ont fabriqué. Troisièmement, une technologie de séquençage rapide, économique et fiable peut aussi faciliter la détection et l'identification rapides des systèmes et d'organismes de synthèse.

Fabrication

Actuellement, une limitation critique de la biologie synthétique est le temps et les efforts (et donc le coût) associés a la fabrication de séquences d'ADN composant les circuits génétiques. Afin d'accélérer le cycle de conception, fabrication, essais et 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, les chercheurs à SUNY Stony Brook ont réussi à synthétiser les bases du génome du poliovirus 7741 de sa séquence publiée, produisant l'organisme de synthèse en premier. Cela a pris environ deux ans de travail minutieux. [19] En 2003, le génome de 5386 pb du bactériophage Phi X 174 a été assemblé dans environ deux semaines. [20] En 2006, la même équipe, à l'Institut J. Craig Venter, a construit et breveté un génome synthétique d'une nouvelle bactérie minimale, Mycoplasma laboratorium et travaille à obtenir son fonctionnement dans une cellule vivante. [21] [22]

En 2007, plusieurs sociétés offrait la synthèse des séquences génétiques jusqu'à 2000 paires de bases, pour un prix d'environ 1 $ par paire de bases et d'un temps de fabrication de moins de deux semaines. [23] En 2009, le prix a chuté à moins de 0,50 $ par paire de base avec quelques améliorations dans les délais. Non seulement ces prix sont jugés inférieurs au coût du clonage par des techniques conventionnelles, mais le système commun de tarification des entreprises rend aussi pratique et intéressant économiquement pour les chercheurs de concevoir et commander de multiples 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).

Modélisation

Les modèles mathématiques aident à la conception de circuits génétiques et de systèmes biologiques en permettant aux ingénieurs de mieux prédire le comportement du système et de l'optimiser avant sa fabrication. La biologie synthétique bénéficierait de meilleurs modèles des réactions enzymatiques et des interactions moléculaires, ou d'une meilleure connaissance du comportement des systèmes intégrés de plusieurs composants. Récemment, des modèles multi-échelle des circuits génétiques qui mettent l'accent sur les applications de biologie synthétique ont été développés. Des simulations ont été utilisées pour modéliser toutes les interactions biomoléculaires mises en jeu dans les processus de transcription, de traduction, et diverses régulation, pour guider la conception des systèmes synthétiques^[29].

Caractérisation

Des mesures quantitatives précises du comportement des systèmes biologiques sont essentielles pour améliorer la compréhension de la biologie. Ces mesures permettent de comprendre comment les systèmes biologiques fonctionnent et fournissent une base pour la construction de modèles et leur validation. Les différences entre les prévisions du modèle et les mesures expérimentales du système permettent d'identifier les lacunes dans la compréhension et d'expliquer pourquoi les systèmes biologiques synthétiques ne se comportent pas toujours comme prévu. Des technologies permettant de nombreuses mesures cinétiques en parallèle sont particulièrement utiles à la biologie synthétique. La microscopie et la cytométrie de flux sont des exemples de technologies de mesure utiles. La microfluidique est aussi un domaine très prometteur pour amener ces technologies à effectuer un grand nombre de mesures en parallèle, à moindre coût et plus rapidement.

Questions sociales et éthiques

En plus des nombreux défis techniques, le vaste potentiel de la biologie de synthèse inquiète aussi les bioéthiciens quant à ses potentiels abus par des États voyous et des terroristes ^[30],[31] ou simplement par inconscience. Les innovations dans le travail du métal ont permis le soc de charrue et l'aiguille à coudre, mais aussi la lance, l'épée et les armes qui ont suivi. La physique nucléaire a mené aux traitements des cancers par radiation, mais aussi aux armes nucléaires. L’étude de la biologie de synthèse peut mener à mieux traiter la malaria, qui tue tous les ans des millions de personnes, mais pourrait aussi mener à une forme modifiée de petite vérole utilisée comme arme biologique et pour laquelle il n’y aurait pas actuellement de défense immunitaire chez l'homme.^[pertinence] Certains promoteurs et expérimentateurs^{[Qui ?]} de ces techniques avancent qu'ils pourraient utiliser divers moyens de contention et de contrôle des nouveaux organismes ou gènes qu'ils créeraient. D'autres^{[Qui ?]} et la société n'ont pas confiance dans le fait que les systèmes de contrôle et de défense suffisent à gérer les accidents et abus d’une telle activité. On voit cependant apparaître quelques suggestions détaillées pour la licence et la surveillance^[32] des diverses phases de la synthèse des gènes et du génome. Notons aussi des discussions en ligne en cours, détaillées et ouvertes, sur les problèmes sociétaux à l'OpenWetWare^[33]. Certains auteurs^[30] estiment que pour répondre à ces préoccupations nouvelles, la bioéthique doit élargir son champ d'application, en examinant pas seulement le moyen par lequel la connaissance scientifique est produite, mais aussi les types de connaissances qui doivent être recherchés et diffusées.

De nombreux romans ou films de science fiction, et le jeu de rôles Transhuman Space ont popularisé le concept d'androïdes pour partie artificiels et de bioroïdes (introduits par (GURPS Cyberpunk), des androïdes biologiques créés par biogenèse (le terme qu’emploie le jeu de rôle pour la biologie synthétique)^[pertinence]

Le projet européen SYNBIOSAFE^[34] étudie les aspects éthiques et de sécurité de la biologie synthétique, alors que déjà sont développés des projets de création d'acide nucléique artificiel. En 2009, le Président de la Commission Européenne (J Barsoso) a demandé un avis du Groupe Européen d'éthique des sciences et nouvelles technologies (GEE) sur l'éthique de la biologie synthétique (GEE, 2009)^[35], en précisant dans sa requête que « le débat sur la légitimité de nouvelles formes de vie a porté principalement sur les questions de sécurité, et une étude sur les implications morales, légales et sociales qui peuvent dériver de cette utilisation spécifique de la biotechnologie manque toujours. », mais, l'Europe soutient aussi financièrement un projet dit « 3NA » (acronyme anglais de "3ème forme d'acide nucléique") de création d'un acide nucléique artificiel différent de l'ADN et de l'ARN. Le CEA y participe avec des laboratoires anglais et belges. Les promoteurs de ce projet estiment qu'il s'agit aussi d'un moyen de rendre les biotechnologies plus sûres que les OGM actuels, en limitant les risques qu'ils contaminent l'environnement, d'autres espèces ou des espèces parentes^[17].
Le sous-domaine de l'alimentation est également questionné ; La méthionine, par exemple, très utilisée dans l'alimentation animale, fait l'objet d'une attention particulière de la part des promoteurs des biotechnologies qui cherchent à la synthétiser à moindre coût ^[36], avec un soutien financier et stratégique de l'Europe^[37] et non sans susciter des craintes en matière d'éthique environnementale ^[38], en raison des risques^[39] lié aux biotechnologies et d'une demande sociale inexistante, voire opposée à l'artificialisation de la production de nourriture^[40],[41].

Notes et références

1. ↑ Théorie physico-chimique de la vie et générations spontanées, S. Leduc,1910
2. ↑ La biologie synthétique, étude de biophysique, S. Leduc,1912
3. ↑ Gene 1978, 4, p 181
4. ↑ En anglais, ce néologisme s'écrit avec deux majuscules. Voir en:BioBrick.
5. ↑ ^{a, b, c, d et e} John I. Glass, Nacyra Assad-Garcia, Nina Alperovich, Shibu Yooseph, Matthew R. Lewis, Mahir Maruf, Clyde A. Hutchison, Hamilton O. Smith et Craig Venter Essential genes of a minimal bacterium ; November 18, 2005; PNAS
6. ↑ Séquençage déposé dans la base de donnée "GenBank database" (pour "Mycoplasma genitalium G37 ATCC 33530 genomic sequence" ; accession no. L43967).
7. ↑ Fraser, C. M., Gocayne, J. D., White, O., Adams, M. D., Clayton, R. A., Fleischmann, R. D., Bult, C. J., Kerlavage, A. R., Sutton, G., Kelley, J. M., et al. (1995) The Minimal Gene Complement of Mycoplasma genitalium Science 270, 397-403. pmid:7569993 Abstract/FREE Full Text
8. ↑ (en) « Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome », dans Science, mai 2010 [texte intégral, lien DOI] 
9. ↑ Hervé Morin, « Création d'une cellule "synthétique" » sur Le Monde.fr, mai 2010. Mis en ligne le 21 mai 2010
10. ↑ Science.gouv, Lancement du site "Biologie de synthèse", 22/06/2011
11. ↑ ^{a et b} Sénat, OPECST, Geneviève Fioraso, députée, rapporteure, Les enjeux de la biologie synthétique - Présentation de l'étude de faisabilité, 15/02/11
12. ↑ The Elowitz Lab sur caltech.edu
13. ↑ A synthetic oscillatory network of transcriptional regulators. Nature 2000, sur Pubmed.
14. ↑ Adam Arkin home page
15. ↑ van Oudenaarden Lab
16. ↑ numéro spécial de PBS Nova sur la vie artificielle
17. ↑ ^{a, b, c, d, e, f, g, h et i} Conférence filmée faite pour l'Université de tous les savoirs et intitulée « Comment et pourquoi faire des formes de vie nouvelle »
18. ↑ Eric Kool
19. ↑ Steven Benner
20. ↑ Carlos Bustamante
21. ↑ Jack Szostak
22. ↑ construction d'un interrupteur génétiquement encodé
23. ↑ registre des pièces biologiques standardisées
24. ↑ intercollegiate Genetically Engineering Machine competition (iGEM)
25. ↑ Production of the antimalarial drug precursor artemisinic acid in engineered yeast. Ro et al., Nature 440, 940-943 (13 April 2006)
26. ↑ groupe de Drew Eddy
27. ↑ par exemple, Refactoring Bacteriophage T7
28. ↑ voir les projets de cellule de synthèse du laboratoire de George Church
29. ↑ Y. N. Kaznessis, (2007) "Models for Synthetic Biology", BMC Systems Biology, 2007, 1:47 doi:10.1186/1752-0509-1-47 [1].
30. ↑ ^{a et b} Thomas Douglas et Julian Savulescu ; Global medical ethics Synthetic biology and the ethics of knowledge J Med Ethics 2010;36:687-693 doi:10.1136/jme.2010.038232 ; résumé
31. ↑ (New Scientist, 12 novembre 2005)
32. ↑ A Synthetic Biohazard Non-proliferation Proposal harvard.edu
33. ↑ OpenWetWare
34. ↑ SYNBIOSAFE
35. ↑ CTA, La biologie synthétique et l’éthique: bâtir la confiance publique, 05/05/2011
36. ↑ Gouvernement français, 2011 Investissements d'avenir - Biotechnologies et bioressources - PROJET SYNTHACS Ce projet propose une alternative à l’utilisation de la pétrochimie pour produire, à partir de biomasse renouvelable, la méthionine, l’un des composants essentiels de l’alimentation animale.
37. ↑ EUROPE - DG RECHERCHE - Biotechnologies, Agriculture and Food -2009< 19th Meeting of the EC-US Task Force on Biotechnology ResearchAu sommaire : The importance of Synthetic Biology activities in a EuropeanBiotechnology Programme
38. ↑ CONFEDERATION SUISSE Biologie synthétique - Biologie synthétique : réflexions éthiques, Rapport de la CENH Mai 2010
39. ↑ EUROPE - DG ENVIRONNEMENT >- Synthetic biology ethics: managing risks without limiting benefits, Mars 2011]
40. ↑ BBSRC New report reveals public’s views on synthetic biology, 14/06/2010
41. ↑ VIVAGOVEILLE Au sommaire : Ne pas ouvrir la boîte de Pandore de la biologie synthétique, Juin 2010

Voir aussi

Articles connexes

• Bio-informatique
• Biologie des systèmes
• Biorobotique
• Biohacking
• Génie génétique

Liens externes

Multimédia

• Entretiens vidéo avec des experts et des ONG (en anglais)
• Conférence filmée Comment et pourquoi faire des formes de vie nouvelle, de Philippe Marlière, l'un des promoteurs de la biologie synthétique (vidéo de 79 min)

Concours iGEM

• (en) "Paris - The SMB: Synthetic Multicellular Bacterium La présentation du projet vainqueur, dans la catégorie Recherche Fondamentale, d'iGEM 2007, par la première équipe française.
• (en) The iGEM program - international Genetically Engineered Machines Competition - Compétition annuelle de création de biologie de synthèse par des étudiants (vainqueur 2006 : Slovénie).
• Le site iGEM de l'équipe de Paris

Autres

• biologiesynthetique.fr, wiki en français d'informations, études et discussions sur la biologie synthétique