Une nouvelle technologie permet la conception prédictive de cellules humaines modifiées

Le biologiste synthétique de l’Université Northwestern, Joshua Leonard, avait l’habitude de fabriquer des appareils lorsqu’il était enfant à l’aide de kits électroniques. Maintenant, lui et son équipe ont développé un processus axé sur la conception qui utilise des pièces d’un type très différent de boîte à outils pour construire des circuits génétiques complexes pour l’ingénierie cellulaire.

L’une des frontières les plus passionnantes de la médecine est l’utilisation de cellules vivantes comme thérapies. En utilisant cette approche pour traiter le cancer, par exemple, de nombreux patients ont été guéris d’une maladie auparavant incurable. Ces avancées utilisent les approches de la biologie synthétique, un domaine en pleine croissance qui mêle outils et concepts issus de la biologie et de l’ingénierie.

La nouvelle technologie Northwestern utilise la modélisation informatique pour identifier plus efficacement les conceptions génétiques utiles avant de les construire en laboratoire. Face à une myriade de possibilités, la modélisation oriente les chercheurs vers des conceptions qui offrent de réelles opportunités.

« Pour concevoir une cellule, nous codons d’abord une fonction biologique souhaitée dans un morceau d’ADN, et ce programme d’ADN est ensuite délivré à une cellule humaine pour guider son exécution de la fonction souhaitée, telle que l’activation d’un gène uniquement en réponse à certains signaux. dans l’environnement de la cellule », a déclaré Leonard. Il a dirigé une équipe de chercheurs du nord-ouest en collaboration avec Neda Bagheri de l’Université de Washington pour cette étude.

Leonard est professeur agrégé de génie chimique et biologique à la McCormick School of Engineering et membre éminent du corps professoral du Centre de biologie synthétique du Northwestern. Son laboratoire se concentre sur l’utilisation de ce type de capacité de programmation pour créer des thérapies telles que des cellules modifiées qui activent le système immunitaire, pour traiter le cancer.

Bagheri est professeur agrégé de biologie et de génie chimique et chercheur de la Washington Research Foundation à l’Université de Washington à Seattle. Son laboratoire utilise des modèles informatiques pour mieux comprendre – et par la suite contrôler – les décisions cellulaires. Leonard et Bagheri ont co-conseillé Joseph Muldoon, un récent doctorant et premier auteur de l’article.

« La conception guidée par modèle a été explorée dans des types de cellules tels que les bactéries et les levures, mais cette approche est relativement nouvelle dans les cellules de mammifères », a déclaré Muldoon.

L’étude, dans laquelle des dizaines de circuits génétiques ont été conçus et testés, a été publiée le 19 février dans la revue Progrès scientifiques. Comme d’autres technologies de biologie synthétique, une caractéristique clé de cette approche est qu’elle est destinée à être facilement adoptée par d’autres groupes de bioingénierie.

À ce jour, il reste difficile et long de développer des programmes génétiques en s’appuyant sur des essais et des erreurs. Il est également difficile de mettre en œuvre des fonctions biologiques au-delà des fonctions relativement simples. L’équipe de recherche a utilisé une « boîte à outils » de pièces génétiques inventée dans le laboratoire de Leonard et a associé ces pièces à des outils de calcul pour simuler de nombreux programmes génétiques potentiels avant de mener des expériences. Ils ont découvert qu’une grande variété de programmes génétiques, dont chacun remplit une fonction désirée et utile dans une cellule humaine, peuvent être construits de telle sorte que chaque programme fonctionne comme prévu. Non seulement cela, mais les designs ont fonctionné la première fois.

« D’après mon expérience, rien ne fonctionne comme ça en science; rien ne fonctionne la première fois. Nous passons généralement beaucoup de temps à déboguer et à affiner toute nouvelle conception génétique avant qu’elle ne fonctionne comme souhaité », a déclaré Leonard. « Si chaque conception fonctionne comme prévu, nous ne sommes plus limités à la construction par essais et erreurs. Au lieu de cela, nous pouvons passer notre temps à évaluer des idées qui pourraient être utiles afin de se concentrer sur les très bonnes idées. »

« Des modèles représentatifs robustes peuvent avoir un impact scientifique et translationnel perturbateur », a ajouté Bagheri. « Ce développement n’est que la pointe de l’iceberg. »

Les circuits génétiques développés et mis en œuvre dans cette étude sont également plus complexes que l’état de l’art antérieur. Cette avancée crée l’opportunité de concevoir des cellules pour exécuter des fonctions plus sophistiquées et pour rendre les thérapies plus sûres et plus efficaces.

« Avec cette nouvelle capacité, nous avons franchi une étape importante pour être en mesure de véritablement concevoir la biologie », a déclaré Leonard.

yogaesoteric
6 juillet 2022

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