Des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego ont montré qu’une enzyme bactérienne centrale à l’expression des gènes peut lire avec précision un alphabet génétique de huit lettres au lieu des quatre utilisés par chaque organisme sur Terre. Les travaux ont été publiés dans Nature Communications le 2 septembre et ont été dirigés par Dong Wang de la faculté de pharmacie et des sciences pharmaceutiques de l’UC San Diego Skaggs. Il a combiné des tests de transcription avec quatre structures de microscopie cryoélectronique à des résolutions comprises entre 2,42 et 2,75 angströms pour montrer comment l’ARN polymérase gère les paires de bases synthétiques.
L’alphabet en question s’appelle Hachimoji, faisant partie de ce que ses concepteurs appellent le système d’information génétique artificiellement étendu. Comme l’explique l’annonce de l’UC San Diego, elle ajoute deux paires techniques, P avec Z et B avec S, aux familiers A, T, G et C. Les auteurs écrivent que leurs résultats .
Ce que l’étude n’a pas fait est tout aussi important, et le document le dit directement. Il s’agissait d’une enzyme purifiée dans un tampon avec de courts échafaudages synthétiques d’ADN et d’ARN, et non d’un organisme vivant. La traduction de ces codons expansés en protéines n’a pas été réalisée. Les lecteurs devraient en détenir les deux moitiés à la fois.
Créer une paire de bases n’est pas la même chose que demander à une cellule de la lire
Les paires de bases synthétiques ne sont pas nouvelles. Les chimistes les construisent depuis la fin des années 1980, et le système Hachimoji à huit lettres a été décrit dans Science en 2019. Des travaux antérieurs ont montré que ces paires sont bien acceptées par l’ADN polymérase Taq lors de la réplication et par l’ARN polymérase T7, une simple enzyme à sous-unité unique empruntée à un virus.
La question la plus difficile était de savoir si la machinerie multi-sous-unités qui gère réellement l’expression des gènes dans la vie cellulaire les tolérerait. Ces machines disposent de points de contrôle de qualité. Sa boucle de déclenchement, un élément protéique flexible, se ferme lorsqu’un nucléotide correctement apparié est chargé, ce qui permet aux cellules d’éviter les erreurs de transcription. Le même groupe avait déjà résolu ses structures antérieures d’un alphabet d’ADN à six lettres contenant la paire B et S en 2023, laissant la paire P et Z non caractérisée pour les polymérases cellulaires.
Les nouveaux tests et images y ont répondu. P avec Z et sa version modifiée ont adopté la géométrie canonique de Watson-Crick dans le site actif et ont induit le repliement de la boucle de déclenchement, avec des résidus protéiques clés dans presque les mêmes positions que celles observées avec les paires naturelles. Les mesures à rotation unique ont révélé des taux d’incorporation seulement environ deux fois inférieurs à l’appariement naturel G à C dans des conditions appariées, et des expériences de poursuite ont montré que l’enzyme continuait à s’allonger normalement au-delà d’une paire synthétique, sans pause à la position suivante.
Un groupe Nitro, un problème de mauvais appairage et un correctif appelé Z*
L’étude est inhabituellement franche au sujet d’un défaut. La base Z porte un groupe nitro qui abaisse l’acidité de la nucléobase à un pKa d’environ 7,8, ce qui signifie qu’au pH intérieur d’une cellule, elle perd facilement un proton et prend une forme qui imite suffisamment bien la cytosine pour s’associer à la guanine. L’équipe a observé exactement cela : la mauvaise incorporation de G en face de Z se démarquait de toutes les autres combinaisons non apparentées, et l’article note que le même comportement a été rapporté lors de la réplication de l’ADN, indiquant une vulnérabilité chimique plutôt qu’une bizarrerie de cette enzyme.
Leur solution était chimique. L’échange du groupe nitro contre un carboxamide élève le pKa au-dessus de 10, ce qui empêche largement la déprotonation. Cet analogue, noté Z*, a considérablement réduit les erreurs d’appariement dans leurs tests et n’a produit aucune autre erreur d’incorporation majeure sur les modèles testés.
Le compromis est que Z* est plus lent. En comparant les deux ensembles de données, l’équipe a découvert que le groupe nitro lui-même stabilisait une interaction médiée par l’eau avec l’hélice pont de l’enzyme qui aide à conserver la forme nécessaire à la fermeture de la boucle de déclenchement. Sans cela, le complexe se trouvait bien plus souvent dans un état ouvert, moins avancé sur le plan catalytique.
Les auteurs n’exagèrent pas le correctif. Ils décrivent Z* comme une première étape vers une paire entièrement optimisée et affirment que des améliorations supplémentaires seront nécessaires. Ils notent également que leurs tests mononucléotidiques provoquent une inadéquation en n’offrant qu’un seul nucléotide à la fois. Les taux d’erreur qu’ils ont mesurés sont donc probablement des surestimations de ce qui se passerait dans un système complet où le bon nucléotide entre en compétition.
Enzymes purifiées dans le tampon, pas dans les organismes du sol
Le cadre qui compte pour un public environnemental et scientifique est la distinction entre une éprouvette et un système vivant. Il s’agit d’une biologie structurale en laboratoire, évaluée par des pairs et publiée, utilisant de l’ARN polymérase purifiée à partir de plasmides d’expression, des oligonucléotides courts commandés auprès d’un fournisseur commercial et des nucléotides synthétiques fabriqués par une société de Floride. Rien n’a été libéré, rien ne s’est reproduit dans un organisme et aucune exposition environnementale n’a été testée ou modélisée.
Un fait de la section méthodes mérite d’être noté. Les quatre lettres synthétiques n’existent pas dans la nature. Leurs éléments constitutifs devaient être synthétisés chimiquement et fournis à la réaction, en l’occurrence des phosphoramidites et des ribotriphosphates achetés auprès de Firebird Biomolecular Sciences d’Alachua, en Floride. Tout organisme conçu pour dépendre de ces lettres dépendrait d’une matière première chimique fabriquée, un point que cet article enregistre sans examiner ses implications.
Les lecteurs doivent également être prudents quant à l’écart entre les espèces. Ce travail n’aborde pas la question de savoir si une enzyme prédit la manière dont les machines de transcription humaines ou végétales réagiraient à ces lettres.
Réactifs, divulgation et ce qui vient ensuite
Le dossier ici est public et vérifiable. Les données Cryo-EM ont été collectées au Stanford-SLAC Cryo-EM Center, soutenu par l’Institut national des sciences médicales générales, et les auteurs n’ont déclaré aucun intérêt concurrent. Steven Benner, auteur co-correspondant et l’un des architectes originaux du système Hachimoji, travaille avec deux co-auteurs à la Fondation pour l’évolution moléculaire appliquée à Alachua, en Floride, la même ville que la société qui a fourni les nucléotides synthétiques. Les quatre structures et cartes ont été déposées dans la banque de données sur les protéines et la banque de données sur la microscopie électronique, et l’article complet est librement disponible, afin que d’autres groupes puissent vérifier le travail.
Un article complémentaire du même groupe est apparu dans les Actes de l’Académie nationale des sciences le 12 août, rapportant que l’ARN polymérase peut également reconnaître une paire synthétique différente dépourvue des liaisons hydrogène normalement considérées comme essentielles au maintien des paires de bases d’ADN ensemble.
Les auteurs exposent deux orientations. L’une mène à l’ARN messager et éventuellement aux protéines, où la traduction du système complet à huit lettres reste inachevée, bien que l’incorporation ribosomale d’un acide aminé non standard ait été démontrée avec la paire B et S en 1992. L’autre mène à des ARN non codants fonctionnels, où un alphabet chimique élargi pourrait produire des molécules qui se lient aux cibles plus étroitement que ne le peut l’ARN à quatre lettres. Un aptamère d’ADN à six lettres construit avec P et Z a déjà été utilisé pour administrer sélectivement la doxorubicine aux cellules cancéreuses du foie, ce qui constitue le précédent cité par les auteurs.
Les plats à emporter raisonnables sont étroits et véritablement intéressants. Une enzyme cellulaire bien comprise s’avère lire les lettres génétiques artificielles en utilisant le même mécanisme qu’elle utilise pour les lettres naturelles, ce qui élimine un obstacle parmi plusieurs qui se dressent entre les paires de bases synthétiques et fonctionnent à l’intérieur d’une cellule. Cela ne signifie pas que des organismes fonctionnant sur huit lettres existent, sont imminents ou posent une question environnementale actuelle. Les prochaines étapes à surveiller sont une démonstration sur des bactéries vivantes et une version plus raffinée de la base Z, dont aucune n’a été rapportée.
Ce que les lecteurs veulent savoir
Qu’ont réellement démontré les chercheurs ? Cette ARN polymérase peut lire et transcrire avec précision une matrice d’ADN contenant huit lettres, quatre naturelles et quatre synthétiques, et qu’elle reconnaît les paires synthétiques en utilisant les mêmes mécanismes structurels qu’elle utilise pour les paires naturelles.
Est-ce que cela a été fait dans un organisme vivant ? Non. Les expériences ont utilisé une enzyme purifiée et de courts échafaudages synthétiques d’ADN et d’ARN en solution. Aucun organisme n’a été conçu et rien n’a été libéré.
Ces huit lettres peuvent-elles fabriquer des protéines ? Pas encore. Les auteurs déclarent que la traduction des codons Hachimoji en protéines reste un objectif futur. L’incorporation ribosomique d’un acide aminé non standard a été démontrée précédemment pour une paire synthétique, et non pour le système complet de huit lettres.
Quel a été le principal problème découvert par l’étude ? La base Z a tendance à se mésapparier avec la guanine car elle perd un proton au pH cellulaire. La version modifiée de l’équipe, Z*, a considérablement réduit cette erreur mais s’intègre plus lentement, et elle la décrit comme une première étape plutôt que comme une solution.
Y a-t-il actuellement un problème d’environnement ou de biosécurité ? Aucun actuellement. Les lettres synthétiques n’existent pas dans la nature et doivent être fabriquées et fournies, mais cette étude n’a pas testé le confinement, la libération dans l’environnement ou les effets écologiques, et aucun organisme artificiel les utilisant n’existe.
Où peut-on vérifier les données sous-jacentes ? Les quatre cartes cryo-EM et leurs coordonnées atomiques ont été déposées dans la banque de données de microscopie électronique et la banque de données sur les protéines, et le document est en libre accès avec les données sources fournies.
À quoi les lecteurs devraient-ils prêter attention ensuite ? Une démonstration du système à huit lettres à l’intérieur de bactéries vivantes et une version encore améliorée de la base Z. Ni l’un ni l’autre n’ont été signalés.
