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Contrôle d'une cellule assisté par ordinateur

 

Des chercheurs du laboratoire Matière et Systèmes Complexes et de l'équipe Contraintes de l'INRIA Rocquencourt ont montré qu'il était possible de contrôler en temps réel l'expression génique chez la levure. Cette approche est originale en ce sens qu'ils ont utilisé une boucle de rétroaction pilotée par un ordinateur pour contrôler directement une population de cellules, voire une seule cellule. En bref, ils ont mis en interface une cellule avec un ordinateur ce qui leur permet de faire varier le niveau d'expression des gènes dans le temps selon un profil choisit par l'utilisateur et avec une bonne précision quantitative. Cette approche est très innovante et ouvre des perspectives d'application dans le domaine de la biologie synthétique et des biotechnologies, notamment pour la production de molécules d'intérêts par des cellules.

 

Contrôler, pour mieux le comprendre et mieux l'utiliser, le fonctionnement des cellules est l'un des enjeux majeurs de la biologie moderne. L'ingénierie génétique et la modélisation des fonctions du vivant permettent ainsi de reprogrammer certaines cellules pour les transformer en micro usine produisant des molécules d'intérêts. Plus généralement, la biologie synthétique permet de détourner des fonctions biologiques existantes élémentaires, de les relier et de les modifier pour réaliser des fonctions nouvelles, ayant des intérêts fondamentaux ou technologiques. Outre l'ingénierie de voie métabolique chez les bactéries ou la levure pour produire des protéines d'intérêts biotechnologiques, on peut citer la réalisation synthétique de fonctions logiques élémentaires (AND, OR, XOR…), permettant de transformer des cellules en mini-calculateur. Ces modifications génétiques permettent d'envisager la création de bio-capteurs multi-fonctions. Les fonctions implémentables souffrent cependant des limitations inhérentes aux systèmes biologiques : la transcription des gènes est un processus stochastique et le niveau d'expression des gènes peut varier grandement d'une cellule à l'autre, même lorsque celles-ci sont cultivées dans des conditions identiques. Il est alors difficile d'obtenir des fonctions complexes, telles que des oscillations, qui soient identiques d'une cellule à l'autre et présentent des propriétés dynamiques satisfaisantes.


Pour contourner ce problème, il est important d'accroitre notre capacité à contrôler les processus cellulaires. Depuis plusieurs années maintenant, il est possible d'induire l'expression d'un gène d'intérêt via l'utilisation d'un promoteur dit inductible et d'une stimulation bien choisie, comme par exemple l'ajout d'une molécule ou d'un métabolite. Mais pour chaque gène d'intérêt, il reste difficile, voire impossible, d'obtenir un contrôle quantitatif sur des temps longs. En effet, les modèles décrivant l'induction de l'expression d'un gène particulier sont souvent incomplets et ne peuvent prendre en compte tous les effets d'interactions et de régulation interne ayant lieu à l'échelle cellulaire. De plus, la variabilité dans l'expression des gènes pose un problème fondamental pour la prédiction à long terme de la nature de la stimulation à utiliser. Ainsi, il n'est pas possible de forcer l'expression d'un gène à suivre un profil temporel quelconque sans devoir adapter le niveau de la stimulation de temps à autre. Faire une telle correction dynamique est une approche classique en théorie du contrôle, mais qui n'avait pas encore été appliqué au vivant jusqu'à très récemment [1-4].


Avec l'équipe de Grégory Batt (Contraintes, INRIA-Rocquencourt) et en collaboration avec les groupes de Frédéric Devaux (Paris 6) et de Gilles Charvin (IGBMC), les chercheurs du laboratoire Matière et systèmes complexes ont développé une plateforme mêlant microscopie de fluorescence pour observer des cellules de levure (Saccharomyces Cerevisiae), micro-fluidique pour changer leur environnement et un processus de contrôle piloté par ordinateur [1]. Ils sont ainsi capables d'observer en temps réel le niveau d'expression d'un gène grâce à un marquage par fluorescence et d'adapter la stimulation afin que ce niveau de fluorescence suive un profil donné. En d'autres termes ils ont réalisé une plateforme permettant de connecter une assemblée de cellules à un ordinateur ; point de départ pour réaliser des interactions cellule machine plus complexes. Une approche similaire a récemment été proposée par le groupe de John Lygeros de l'ETH [2] qui a réussi à forcer une population de cellules à exprimer un gène à un niveau constant pendant plusieurs heures. L'équipe de Wendel Lim [3] et de Diego di Bernardo [4] ont également proposé des stratégies conceptuellement proches. Les travaux récemment réalisés ajoutent la possibilité d'observer chaque cellule individuellement et ont permis de démontrer qu'il est possible de forcer l'expression d'un gène sur des temps longs (> 15h) selon des profils variables dans le temps. Il est important de noter que ce modèle d'induction génique est basé sur la réponse osmotique de la levure, une voie de réponse au stress bien connue et présentant un fort degré de régulation interne avec une adaptation à moyen terme : après un certain temps, les cellules ne ressentent plus la stimulation. Il s'agit donc a priori d'un système difficile à contrôler. Le contrôle externe permet malgré tout de surpasser les niveaux de régulation interne. Finalement, il est désormais possible de suivre une cellule isolée et de la contrôler directement, ce qui réduit le niveau de bruit de l'expression génique pour cette cellule par rapport au cas d'un contrôle global de la population.


Les chercheurs envisagent maintenant de développer cette plateforme pour d’autres organismes modèles et de l’utiliser pour améliorer notre compréhension des fonctions cellulaires. En effet, il est maintenant possible de perturber, précisément le niveau d’un gène impliqué dans une fonction naturelle ou synthétique et d’étudier l’impact de variations fines de son niveau par rapport à l’état physiologique de référence. L’ajout d’une couche logicielle permet d’étendre considérablement les capacités des promoteurs inductibles classiques, tant du point de vue de leurs dynamiques que de celui de leur robustesse et de leur résistance aux bruits biologiques. L’utilisation de systèmes hybrides « ordinateur – cellules » comme une boucle de contrôle externe permettra de simplifier considérablement la création de fonctions synthétiques complexes et de s’assurer que celles-ci aient un comportement robuste et précis en toute circonstance.

 

Représentation schématique du contrôle d'une population de cellules de levure exprimant une protéine fluorescente lorsque celles-ci sont stimulées

 

Représentation schématique du contrôle d'une population de cellules de levure exprimant une protéine fluorescente lorsque celles-ci sont stimulées (centre). La boucle de rétroaction (bas) pilotée par un ordinateur permet de forcer les cellules à suivre un profil temporel choisi par l'utilisateur (haut). La courbe lisse représente le profil cible, la courbe bruitée représente le niveau de fluorescence de la population de cellule au cours du temps.

 

 

Références :

[1] Real time control of gene expression at the population and single cell level, J. Ulhendorf et al., PNAS, 2012.


[2] Milias-Argeitis A, et al. (2011) In silico feedback for in vivo regulation of a gene expression circuit. Nature Biotechnology 29:1114–1116.


[3] Toettcher JE, Gong D, Lim WA, Weiner OD (2011) Light-based feedback for controlling intracellular signaling dynamics. Nature Methods 8:837–839.

 

[4] Menolascina F, di Bernardo M, di Bernardo D. (2011) Analysis, design and implementation of a novel scheme for in-vivo control of synthetic gene regulatory network. Automatica 47:1265-1270.

 

Contacts      

Pascal Hersen, pascal.hersen@univ-paris-diderot.fr, (Laboratoire MSC, UMR7057)
Grégory Batt, gregory.batt@inria.fr (Contratines, INRIA-Rocquencourt)

 

Site web

http://www.msc.univ-paris-diderot.fr/~phersen/513/home.html

http://contraintes.inria.fr/~batt/home.html

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