Compartiments Hybrides comme Cellules Synthétiques – COSYCELL

La production de cellules synthétiques revêt un intérêt majeur d’un point de vue industriel pour la synthèse dirigée de produits chimiques mais également dans le domaine du vivant pour comprendre les origines de la vie. L’approche dite ‘top-down’, développée principalement au J. Craig Venter Institute, vise à minimiser le génome de bactéries en étudiant leur viabilité suite à leur modification génétique. L’approche dite ‘bottom-up’ vise, à partir de synthons, à construire des compartiments synthétiques pouvant reproduire certaines fonctions cellulaires en y incorporant i) des extraits cellulaires permettant la réplication d’ADN et/ou encore ii) des enzymes pour y développer des réactions enzymatiques. De nombreuses études sont développées sur deux types de compartiments principalement, vésicules et émulsions eau-dans-eau. Cependant, à ce jour, aucune cellule synthétique n’a été produite de cette façon. La principale raison est la difficulté à encapsuler du matériel biologique au sein de vésicules mimant les cellules artificielles (système fermé). Au contraire, les compartiments de type coacervats et émulsions eau/eau sont capables de séquestrer du matériel biologique mais sont dépourvus de membrane nécessaire pour diriger les échanges entre milieux intérieurs et extérieurs (système ouvert).

Le projet CoSyCell vise à développer des systèmes ‘hybrides’ émulsions eau-dans-eau/vésicules, afin de rassembler les avantages de ces 2 systèmes pris séparément. Ils seront donc capables de séquestrer spontanément des biomolécules tout en possédant une barrière lipidique comme les vésicules pour contrôler les échanges avec le milieu extérieur. Enfin, le potentiel de ces systèmes hybrides pour former des bioréacteurs et/ou des cellules synthétiques sera investigué.
Nous utiliserons 2 types de gouttes d’émulsion eau/eau, i) un système non chargé composé de PEG et Dextrane et ii) un système de coacervats complexes (charges opposées) du type CM-Dextrane/DEAE-Dextrane. Nous développerons 3 méthodes pour déposer une membrane lipidique à la surface des gouttes ainsi formées. La première sera d’utiliser des lipides dont le polymorphisme dépend du pH (ou de la lumière UV : dérivés d’azobenzènes) pour faire une transition micelle/membrane. La seconde consistera à ‘déposer’ une bicouche de phospholipides à la surface des gouttes par les méthodes de formulation habituelles et dans la dernière, des bola-lipides (amphiphiles bipolaires) seront déposés pour former une monocouche.

Nos systèmes hybrides posséderont une membrane lipidique jouant le rôle de barrière mais ces compartiments devront pouvoir être alimentés en biomolécules, comme dans le cas de cellules vivantes. Nous devrons donc adresser la question de la perméabilité membranaire en insérant, au sein des membranes lipidiques, des pores membranaires (transporteurs, extraits de membranes de bactéries), créant ainsi des protéo-liposomes hybrides. Afin de contourner ce risque potentiel, ces transporteurs pourront être remplacés par de l’a-hémolysine, protéine formant des pores aspécifiques mais permettant le passage de petites biomolécules permettant d’alimenter les compartiments.

En fin de projet, nous investiguerons le potentiel de ces systèmes hybrides comme bioréacteurs et cellules artificielles. Ces systèmes hybrides, pouvant être alimentés en continu avec des substrats, seront utilisés d’une part pour encapsuler des enzymes pour former des bioréacteurs mais également pour encapsuler des extraits bactériens ainsi qu’un plasmide codant pour une protéine fluorescente de façon à mettre en évidence une activité ‘life-like’ de synthèse protéique au sein de ces compartiments par épifluorescence.

Au terme du projet, il est envisagé que les systèmes hybrides développés de façon innovante permettront pour la première fois d’encapsuler de façon spontanée et simple des biomolécules au sein de compartiments, ce qui constituera une avancée importante pour la formation de cellules synthétiques.