Les premières bactéries cyborgs développées

Des chercheurs du Département des systèmes biologiques (D-BSSE) de l'ETH Zurich à B?le ont créé un cyborg - un être hybride entre un organisme vivant et une machine. L'être vivant en question est la colibacille. (Escherichia coli),Le colibacille est une bactérie fréquemment utilisée dans la recherche biologique, tandis que la machine est un ordinateur doté d'une technique de commande ultramoderne qui régule la croissance des bactéries. Les organismes et la machine sont reliés par deux interfaces : L'ordinateur communique avec la lumière rouge et verte, que les bactéries modifiées par la biotechnologie peuvent percevoir. Dans le sens inverse, la communication fonctionne via une mesure optique du taux de croissance de la culture bactérienne. Le résultat de cette mesure est transmis en temps réel à l'ordinateur.

Contr?le extrêmement précis

Il y a cinq ans déjà, les chercheurs avaient présenté avec des collègues une simple démonstration de faisabilité pour une interface basée sur la lumière entre un ordinateur et une cellule de levure. Mais à l'époque, cette interface ne fonctionnait pas encore de manière entièrement automatique, contrairement au système actuel. "En outre, nous régulons maintenant pour la première fois la croissance des micro-organismes, et ce de manière très précise et finement réglable", explique Mustafa Khammash, professeur de théorie du contr?le et de biologie systémique. Gr?ce au contr?le informatique, les scientifiques peuvent influencer la culture bactérienne de manière à ce qu'elle se développe exactement selon une courbe prédéfinie.

Le nouveau système est en outre extrêmement fiable et résistant. Les scientifiques ont testé comment les bactéries cyborgs réagissaient à des perturbations soudaines venant de l'extérieur. Pour ce faire, ils ont par exemple modifié la composition nutritive de la culture bactérienne ou la température au cours de l'expérience. Le système s'est extrêmement bien adapté à de telles perturbations. "Tout cela n'est possible que parce que nous utilisons pour la commande des algorithmes de régulation ultramodernes, contr?lés par rétroaction, tels qu'ils sont également utilisés dans les avions de ligne, par exemple pour maintenir l'altitude de vol stable", explique Khammash.

"Des yeux" pour les bactéries

Pour que les colibacilles puissent être contr?lés par la lumière, les chercheurs ont d? modifier les micro-organismes par biotechnologie. Ils ont utilisé une souche bactérienne dont le plan de construction contient entre autres des gènes de cyanobactéries. Les cyanobactéries peuvent adapter leur métabolisme à la lumière et - comme les plantes - utiliser l'énergie de la lumière. Dans les colibacilles, les bio-ingénieurs b?lois ont couplé les systèmes génétiques de mesure de la lumière des cyanobactéries avec la régulation cellulaire pour une enzyme qui produit de la méthionine, un acide aminé indispensable à la croissance des bactéries.

Si l'ordinateur de contr?le fait éclairer la culture de colibacilles avec une lumière rouge, cela entra?ne l'arrêt de la production de méthionine par les bactéries et donc une croissance moins rapide. En revanche, l'éclairage à la lumière verte stimule la production de méthionine et donc la croissance.

Réguler les systèmes biologiques

Le professeur Khammash de l'ETH est initialement spécialisé dans les techniques de régulation. Il travaille maintenant dans le domaine de la biologie systémique et de la biologie synthétique. Sa principale question de recherche se situe à l'intersection de ces disciplines : Est-il possible de concevoir de A à Z des techniques de régulation pour des systèmes biologiques ? Il appelle ce domaine de recherche la cybergenetics.

"Il y a deux approches pour cela", explique Khammash, "et les deux ont des avantages et des inconvénients qui s'appliquent selon l'application". D'une part, on peut - comme dans cette étude - contr?ler des micro-organismes de l'extérieur avec un ordinateur. Cela nécessite une interface entre l'ordinateur et l'organisme biologique. Même si les possibilités de communication via une telle interface sont actuellement encore relativement modestes, cette approche présente un grand avantage : gr?ce à un programme informatique externe, des algorithmes de régulation performants peuvent être mis en ?uvre. De plus, le programme peut s'adapter très rapidement aux besoins.

Dans une deuxième approche, les scientifiques - dont ceux du D-BSSE - tentent de placer des systèmes de contr?le artificiels à l'intérieur des cellules, ceux avec des composants moléculaires biochimiques. "A mon avis, pour les applications thérapeutiques, par exemple dans la thérapie cellulaire, le contr?le interne des cellules est plus approprié à long terme. Car elle fonctionne de manière autonome, sans matériel supplémentaire", explique Khammash. "Pour la production biotechnologique de molécules dans un bioréacteur, en revanche, le contr?le externe via une interface telle que celle que nous avons développée ici devrait être plus facile à mettre en ?uvre".

Canaux de couleur supplémentaires

Jusqu'à présent, les chercheurs b?lois utilisent les deux couleurs vert et rouge pour leur interface lumineuse. Ils contr?lent ainsi l'activité d'une seule enzyme. "Dans le cadre d'un développement ultérieur, on pourrait toutefois imaginer des commandes plus complexes avec des canaux lumineux supplémentaires", explique Khammash. Il serait ainsi envisageable de réguler simultanément plusieurs enzymes. Dans la production biotechnologique de molécules, on pourrait ainsi harmoniser de manière optimale le taux de croissance des bactéries productrices et le taux de production de la molécule souhaitée. Ceci dans le but d'obtenir la plus grande quantité possible du produit souhaité et le moins de sous-produits toxiques possible.