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RNA-protein Nanostructures for Synthetic Biology

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La technique de «l’origami» fournit de nouveaux outils pour la biologie synthétique

En appliquant l’art japonais du pliage du papier à des brins d’ARN, des chercheurs de l’UE ont pu «programmer» des cellules. Cela pourrait conduire à des avancées significatives en biologie et en médecine synthétiques.

Recherche fondamentale

La biologie synthétique, qui consiste à modifier des organismes existants en appliquant des techniques informatiques et d’ingénierie, ouvre d’immenses perspectives dans le domaine de la biotechnologie industrielle et de la médecine. Nous n’en sommes encore qu’au début, mais les chercheurs sont capables de programmer des cellules pour qu’elles fonctionnent comme des «usines» afin de produire les médicaments ou les biocarburants souhaités, et ils envisagent de programmer des cellules pour qu’elles détectent et détruisent les tumeurs. «Un obstacle cependant est que les éléments génétiques ne sont pas toujours aussi modulaires qu’on pourrait le souhaiter», explique Ebbe Sloth Andersen, coordinateur du projet RNA ORIGAMI, professeur agrégé à l’Université d’Aarhus, au Danemark. «Les systèmes biologiques sont très complexes. Sortir des éléments génétiques de leur contexte ne fonctionne pas toujours.»

Partir de zéro

Ebbe Sloth Andersen pense qu’une solution à ce défi pourrait consister à reconcevoir les éléments génétiques à partir de zéro. La technologie clé de cette entreprise pourrait être l’origami d’ARN. «La méthode de l’origami d’ARN s’inspire de l’art japonais du pliage du papier», indique Andersen. «Au lieu de plier du papier, nous plions un seul brin d’ARN. Cette méthode nous permet de coder génétiquement les nanostructures d’ARN et de les exprimer dans les cellules.» Ebbe Sloth Andersen est un pionnier de cette technique. Inspiré par sa collaboration avec Paul Rothemund — pionnier de la technique de l’origami ADN — du California Institute of Technology, il a entrepris de l’appliquer aux molécules d’ARN dans son propre laboratoire. La réussite a conduit au projet RNA ORIGAMI, financé par le Conseil européen de la recherche. Dans le cadre de ce projet, Ebbe Sloth Andersen a cherché à appliquer ses recherches fondamentales à des applications de biologie synthétique dans le monde réel. Il s’agissait de développer des outils de conception assistée par ordinateur pour faciliter la création de nanostructures d’ARN. «Le projet nécessitait une expertise dans plusieurs domaines de recherche», note-t-il. «Le point de départ a donc été d’engager des chercheurs compétents en bio-informatique, en techniques de caractérisation biophysique, en biochimie de l’ARN et en biologie synthétique. En travaillant ensemble, nous avons développé un pipeline cohérent allant de la conception informatique à la synthèse et à la caractérisation, jusqu’aux applications en biologie synthétique.»

Des médicaments à base d’ARN

L’équipe a réussi à développer des outils logiciels capables de concevoir des structures d’origami d’ARN de plus grande taille et complexité. Ce logiciel est libre d’accès et disponible pour la communauté des chercheurs. «Nous espérons que cela incitera les chercheurs à utiliser cette technologie», déclare Ebbe Sloth Andersen. «Ce projet m’a permis de réaliser mes objectifs, à savoir rendre cette technologie de l’ARN plus mature, faire progresser le logiciel et définir de nouvelles orientations pour la nanotechnologie de l’ARN.» Les résultats ont souligné le potentiel de l’utilisation de molécules d’ARN conçues rationnellement comme outils de biologie synthétique. L’un des principaux atouts des structures d’origami d’ARN, explique Ebbe Sloth Andersen, est qu’elles peuvent servir d’échafaudages pour fixer et organiser les composants moléculaires de la cellule. Par exemple, des capteurs codés génétiquement qui signalent les concentrations de métabolites dans les cellules ont été mis au point. Des échafaudages en origami d’ARN ont été placés à l’intérieur des cellules pour contrôler les voies métaboliques. Ebbe Sloth Andersen estime que la médecine est un domaine clé pour une exploitation plus poussée. «L’émergence de vaccins à base d’ARN pendant la pandémie de COVID-19 a mis la médecine à base d’ARN sous les projecteurs», ajoute-t-il. «Cette technologie présente un énorme potentiel. Par exemple, nous pouvons exprimer l’ARN dans les cellules afin de manipuler les propriétés cellulaires, ou utiliser l’ARN sous forme de particules à délivrer dans l’organisme comme médicament.» Ebbe Sloth Andersen est également désireux de suivre l’aspect théorique des choses, afin de faire progresser la technologie et de la rendre plus fonctionnelle. «Mon principal intérêt reste d’essayer de comprendre fondamentalement le pliage de l’ARN et de faire progresser la technologie de l’origami d’ARN, pour voir ce que nous pouvons en tirer», affirme-t-il.

Mots‑clés

RNA ORIGAMI, ARN, biologique, cellules, biotechnologie, médecine, nanostructures, synthétique

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