Biologie synthétique: le saut des sciences de la vie à l’ingénierie

Lire, éditer, écrire et réécrire des formes de vie est désormais possible, même pour les lycéens, à la maison! (Image représentative)

Par S Ramadorai, Raman Srinivasan & S Shivaramakrishna

Bien que je (Ramadorai) ait passé une grande partie de ma vie professionnelle dans l’industrie du logiciel, depuis près d’une décennie maintenant, j’essaie d’apprendre et de comprendre les développements récents dans le domaine de la biologie avec l’aide de quelques jeunes collègues. Les manuels scolaires nous ont appris qu’en 1953, Watson et Crick «décodaient la vie», déchiffrant l’ADN comme une double hélice en trois dimensions.

Nous comprenons maintenant l’ADN comme le code source de la vie et savons qu’il contient des informations biologiques et porte les instructions génétiques pour le développement de toute vie. Cette découverte lauréate du prix Nobel de la double hélice a marqué le passage de la biologie d’une discipline descriptive à une science analytique. Dans les décennies qui ont suivi, les biologistes ont fait un saut kantien vers une techno-science synthétique. Le développement de nouvelles techniques comme la PCR (Polymerase Chain Reaction) pour amplifier de minuscules segments d’ADN en 1983-84 a conduit à une meilleure compréhension du langage de la vie. La grammaire de la composition génétique est maintenant assez bien comprise. La biologie est en passe de devenir une discipline d’ingénierie établie et les ingénieurs sont à l’origine de cette transformation. Et comme les ingénieurs ailleurs, eux aussi conçoivent, construisent et testent de nouvelles formes de choses, biologiques. Ils mettent également sur pied une nouvelle discipline.

Il y a environ 70 ans, Alan Turing, le légendaire pionnier britannique de l’informatique, a réalisé un travail novateur, entre autres, sur la formation de modèles biologiques. Plus récemment, des ingénieurs informaticiens influents ont commencé à considérer l’ADN comme un support de stockage pour les programmes exécutés par des cellules vivantes. Cependant, la pointe de la biologie ingénieuse est d’origine relativement récente – ne remontant qu’au début de 2000 – et s’appelle la biologie synthétique. Il s’agit d’un domaine, inspiré du mot grec original «synthèse» qui signifie «assembler», et se concentre sur l’assemblage de composants biologiques afin de mieux comprendre les systèmes biologiques. La biologie synthétique semble avoir fait des progrès exponentiels au cours des deux dernières décennies et cela rend même un ingénieur en matériel regardant le terrain à une distance critique, envieux.

Je (Ramadorai) propose une série de brefs essais introduisant le lecteur à ce monde en évolution rapide de la biologie synthétique. Tout comme le XXe siècle a été façonné par la physique nucléaire et la physique des semi-conducteurs, le XXIe siècle se définit déjà par une nouvelle biologie, une biologie inspirée et conçue par les meilleures pratiques de l’ingénierie. Aujourd’hui, nous pouvons non seulement décoder la biologie, mais aussi la modifier et en plus la synthétiser. Lire, éditer, écrire et réécrire des formes de vie est désormais possible, même pour les lycéens, à la maison!

Curieusement, le premier laboratoire de biologie synthétique a été créé en plein milieu du laboratoire d’IA de Tech Square du Massachusetts Institute of Technology, au milieu des années 1990 par un ingénieur en matériel du MIT, Tom Knight. En tant que jeune lycéen, Knight avait été encadré par le professeur Marvin Minsky, fondateur du laboratoire d’intelligence artificielle du MIT et plus tard en tant que chercheur, Knight a travaillé sur Internet au début et a également aidé à construire la première machine LISP. Pionnier de la conception de puces, Knight a anticipé les éventuelles limitations physiques des semi-conducteurs et s’est tourné vers la biologie pour construire un monde de la loi post-Moore à l’épreuve du futur.

Au milieu des années 1960, à peu près au moment où Gordon Moore a publié son article décrivant ce qui est devenu connu sous le nom de loi de Moore, les premières puces à semi-conducteurs commerciales ont été fabriquées en utilisant un processus de lithographie de 50 micromètres ou 50000 nanomètres alors que maintenant votre téléphone mobile pourrait avoir une puce fabriquée avec un processus de 5 nm. . Certains ingénieurs clairvoyants comme Tom Knight et des administrateurs scientifiques aux États-Unis ont commencé à s’inquiéter du fait que la loi de Moore rencontre des limites physiques. Par exemple, dans une puce de 5 nm, il y a typiquement environ 175 millions de transistors par millimètre carré.

Dans une telle puce, la distance entre deux transistors est typiquement de 5 nm, et un seul transistor lui-même a à peine 10 à 12 atomes d’épaisseur. Une approche pour transcender les limites physiques de la physique des semi-conducteurs consistait à explorer des alternatives biologiques. Nous savons que les cellules biologiques traitent efficacement les informations. Une seule cellule ne consomme qu’un billionième de Watt. Pourrait-on concevoir et construire des circuits biologiques en utilisant des principes similaires à la conception de circuits électroniques? Des procédés biologiques pourraient-ils être utilisés pour fabriquer de nouveaux types de dispositifs? Les données pourraient-elles être stockées sur l’ADN pendant des milliers d’années et récupérées dans un avenir lointain? Peut-on fabriquer de nouveaux matériaux grâce à la biologie? La biologie peut-elle redémarrer l’informatique?

En 1996, Tom Knight a dirigé un programme d’études d’été pour la DARPA, conceptualisant l’informatique biologique et la fabrication. Il a souligné la nécessité d’appliquer des pratiques d’ingénierie bien établies, telles que le cycle de conception-construction-test et l’utilisation de pièces normalisées. L’argument était que la capacité de rassembler des formes biologiques avec des composants modulaires bien définis apporterait une rigueur d’ingénierie bien nécessaire à la biologie. L’étude d’été a été bientôt suivie par le financement par la DARPA du premier laboratoire de biologie synthétique de Knight au sein du laboratoire d’IA du MIT. Il était entièrement composé de non-biologistes et manquait de plusieurs des accessoires habituels d’un laboratoire de biochimie tels que des hottes, des autoclaves ou les moyens habituels d’élimination des déchets dangereux!

Néanmoins, de nombreux collègues en informatique ont regardé avec inquiétude les tubes à essai remplis de bactéries et divers incubateurs placés à côté des ordinateurs. Dans tous les cas, des ingénieurs et des informaticiens bien établis ont commencé à pirater des structures et des processus biologiques avec une mentalité d’ingénierie et des outils informatiques. Les principes de conception technologique standard tels que l’abstraction, l’encapsulation, la modularisation, la normalisation et le découplage ont commencé à être importés dans la fabrication de cette nouvelle biologie. Le grand piratage de la biologie avait commencé.

Knight a attiré d’autres ingénieurs partageant les mêmes idées dans la révolution de la biologie au MIT. Certains, comme Randy Rettberg, sont venus de l’industrie. Rettberg était un expert en conception VLSI et avait travaillé chez Sun avant de rejoindre le MIT pour inventer la biologie synthétique. Drew Endy était un migrant intellectuel en série, passant de «l’ingénierie structurelle à l’ingénierie environnementale en passant par l’ingénierie chimique, la génétique et la biologie cellulaire, la biologie et l’ingénierie biologique». Gerald Sussman, professeur de génie électrique au MIT et auteur du familier Structure et interprétation des programmes informatiques, était un autre ingénieur polymathe qui a joué un rôle clé dans les débuts de la biologie synthétique au MIT. Ces ingénieurs qui élaboraient une nouvelle biologie étaient étrangers à la biologie, mais en moins de 10 ans, le domaine avait fait d’énormes progrès et Nature a célébré sa naissance avec un article de couverture en novembre 2005 intitulé «Biologie synthétique: la vie est ce que nous la faisons».

Sur sa couverture, Nature a mis en évidence une bande dessinée intitulée «Aventures en biologie synthétique» et dans son introduction, comme pour mettre en évidence les aspects amusants de cette nouvelle science, elle a mené avec l’histoire d’une caméra biologique vivante réalisée avec le commun E. Coli cela pourrait prendre des photos. Un film biologique des bactéries modifiées a également servi de film photographique, ont souligné les éditeurs de Nature. Ils ont déclaré que «cette technologie permet de développer à partir de zéro des composants biologiques, des circuits et des organismes susceptibles de se répliquer, éventuellement sur la base de codes génétiques différents de ceux trouvés dans la nature».

Ce numéro spécial consacré à la biologie synthétique avait sollicité les contributions de plusieurs pionniers. George Church, professeur à Harvard et parmi les biologistes synthétiques les plus imaginatifs, a exprimé la nécessité d’une solide culture de l’évaluation de la sécurité et des risques, et des dialogues avec les parties prenantes dans cette discipline émergente. Il a écrit: «Le domaine en développement de la« biologie synthétique »pourrait être considéré comme une autre expression de l’orgueil scientifique. Il présente des avantages potentiels, tels que le développement de médicaments à faible coût ou la production de produits chimiques et d’énergie par des bactéries modifiées. Mais cela comporte aussi des risques: des armes biologiques fabriquées et des organismes dangereux pourraient être créés, délibérément ou par accident. »

Church a souligné la nécessité d’une plus grande sensibilisation. Et dans son essai programmatique, Drew Endy a appelé à des «communautés de recherche dynamiques et ouvertes». La sensibilisation et la recherche ouverte ont été, en effet, deux caractéristiques clés de ce nouveau domaine. Une manifestation de cet engagement en faveur de l’ouverture et de l’inclusion a été le succès extraordinaire du concours étudiant mondial annuel appelé iGEM. D’une poignée d’équipes en 2004 à plus de 350 équipes de plus de 60 pays l’an dernier, l’iGEM est devenu l’incubateur de jeunes biologistes synthétiques. Et surtout, au cours des 25 dernières années, plusieurs incubateurs de start-up importants en biologie synthétique ont adapté avec succès le modèle d’incubateur technologique et ont donné naissance à de nombreuses licornes synbio.

Aujourd’hui, vous pouvez acheter des produits de biologie synthétique sur le marché, même en Inde. Par exemple, si vous êtes diabétique et que vous prenez de la sitagliptine, il s’agit d’un médicament fabriqué à l’aide de la biologie synthétique. Dans les prochains essais, nous mettrons en évidence plusieurs applications commerciales de la biologie synthétique.

“Ce que je ne peux pas créer, je ne le comprends pas.”
– Richard Feynman (Le dernier message sur son tableau noir.)

Ramadorai est ancien vice-président, TCS, et Srinivasan et Shivaramakrishna sont tous deux avec TCS

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