Les cellules sont les unités fondamentales de la vie et englobent la diversité de tous les êtres vivants sur Terre, qu’il s’agisse de cellules individuelles ou d’organismes multicellulaires. Pour mieux comprendre comment les cellules remplissent les fonctions les plus importantes de la vie, les scientifiques ont commencé à développer des cellules synthétiques: des fragments non vivants de biochimie cellulaire enfermés dans une membrane reproduisant des processus biologiques spécifiques.
Des chercheurs élaborent un document fondateur pour le développement de cellules synthétiques. Ce développement pourrait un jour apporter des réponses aux questions concernant le développement de nouvelles méthodes de lutte contre les maladies, la pérennité des vols spatiaux habités et une meilleure compréhension des origines de la vie sur Terre.
Dans un article publié début 2024 dans la revue ACS Synthetic Biology, les chercheurs décrivent les perspectives offertes par le développement de cellules synthétiques et les défis à venir pour cette recherche révolutionnaire. Ils présentent également une feuille de route pour inspirer et guider l’innovation dans ce domaine passionnant.
«Le potentiel de ce domaine est incroyable», a déclaré Lynn Rothschild, auteure principale de l’article et astrobiologiste au Centre de recherche Ames de la NASA dans la Silicon Valley, en Californie. «Nous sommes honorés de diriger ce groupe et d’élaborer ce que nous pensons être un document fondateur, une ressource qui propulsera le domaine vers l’avant.»
Le développement de cellules synthétiques pourrait apporter de nombreux bénéfices à l’humanité. L’analyse des subtilités de la création cellulaire pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre leur évolution originelle ou ouvrir la voie à la création de nouvelles formes de vie plus résistantes aux conditions difficiles telles que les radiations ou les basses températures.
Le développement de cellules synthétiques pourrait conduire les chercheurs à de nouvelles avancées en science alimentaire et en médecine, ainsi qu’à une meilleure compréhension des origines de la vie sur Terre. NIH/Rhoda Baer
Ces innovations pourraient également conduire à des avancées dans la science alimentaire et la médecine, améliorant l’efficacité de la production alimentaire, détectant les contaminants pendant la production ou développant de nouvelles fonctions cellulaires qui pourraient conduire à de nouveaux traitements pour les maladies chroniques et même à des transplantations d’organes synthétiques, rapporte le service de presse de la NASA.
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La création de cellules synthétiques pourrait également répondre à certaines des questions les plus importantes sur la possibilité de vie au-delà de la Terre.
«Le défi de créer des cellules synthétiques nous permet de comprendre si nous sommes seuls dans l’univers», a déclaré Rothschild. «Nous commençons à développer des compétences qui nous permettent non seulement de créer des analogues synthétiques de la vie qui pourrait exister sur Terre, mais aussi d’envisager des voies menant à la vie qui pourrait se former sur d’autres planètes.»
Alors que les recherches sur le développement de cellules synthétiques se poursuivent, Rothschild voit des opportunités qui pourraient élargir notre compréhension de la complexité de la vie naturelle.
La vie est une chose extraordinaire. Nous exploitons constamment le potentiel des cellules: nous construisons des maisons en bois, utilisons du cuir pour fabriquer des chaussures et respirons de l’oxygène. La vie est d’une précision étonnante, et si nous l’exploitions, ce que nous pourrions accomplir serait incroyable.
Des scientifiques ont construit une cellule cérébrale humaine fonctionnelle à partir de sel et d’eau. Les scientifiques ont longtemps imité les synapses humaines à l’aide de matériaux solides courants, mais une nouvelle étude tente de les recréer avec des ingrédients extrêmement simples: l’eau et le sel.
En recréant les synapses humaines en utilisant le même environnement que notre cerveau biologique, des dispositifs connus sous le nom de memristors iontroniques peuvent imiter la plasticité à court terme trouvée dans notre cerveau.
Alors que l’informatique neuromorphique (de type cérébral) n’en est qu’à ses balbutiements, des projets de plusieurs millions de dollars tentant de reproduire les capacités neurologiques du cerveau montrent que le memristor à eau pourrait débloquer de nouveaux niveaux de puissance et d’efficacité de calcul.
Depuis que l’ENIAC a affiché pour la première fois ses 1 et 0 sur ses écrans dans les années 1940, les ordinateurs ont réalisé des avancées technologiques stupéfiantes. En moins d’un siècle, des ordinateurs qui occupaient autrefois des pièces entières sont devenus incomparablement plus rapides, plus performants et peuvent même être portés sur le visage (pour une raison inconnue). Si cette avancée colossale, réalisée en presque une seule vie humaine, constitue une prouesse technique remarquable, elle n’est rien comparée aux milliards d’années d’évolution continue qui ont conduit au développement de l’un des dispositifs informatiques les plus impressionnants jamais créés : le cerveau humain.
Bien sûr, imiter la nature est une stratégie bien connue dans des domaines comme la science des matériaux, la médecine et même l’agriculture. Alors, copier le cerveau humain pourrait-il mener à une percée en intelligence artificielle? La réponse courte est « oui », et la réponse longue est «tout à fait oui».
Des scientifiques de l’Université d’Utrecht (Pays-Bas), explorant le domaine émergent de l’informatique neuromorphique iontronique, ont réussi à créer un dispositif artificiel imitant les synapses cérébrales humaines. Ce dispositif, d’un diamètre de seulement 150 à 200 micromètres (l’épaisseur d’un cheveu humain est d’environ 100 micromètres), utilise du sel et de l’eau pour traiter des informations complexes, à la manière dont notre cerveau les traite. Les détails de ce dispositif, unique en son genre, ont été publiés dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) en avril 2024.
«Alors que des synapses artificielles capables de traiter des informations complexes existent déjà à partir de matériaux solides, nous sommes les premiers à démontrer que cela est possible en utilisant de l’eau et du sel», a déclaré Tim Kamsma, doctorant à l’Université d’Utrecht et auteur principal de l’étude, dans un communiqué de presse. «Nous reproduisons efficacement le comportement neuronal grâce à un système partageant le même environnement que le cerveau.»
TEK IMAGE/BIBLIOTHÈQUE PHOTO SCIENTIFIQUE/Getty Images
Ce dispositif, appelé memristor iontronique (résistance mémoire), développé par des scientifiques sud-coréens, est de forme conique et rempli d’une solution d’eau et de sel. Lorsqu’une impulsion électrique est appliquée au dispositif, les ions se déplacent dans le canal, modifiant ainsi l’environnement ionique environnant. Si l’impulsion est particulièrement forte ou prolongée, la conductivité du canal change, ce qui renforce ou affaiblit les connexions neuronales.
Les scientifiques ont également découvert que la longueur du canal influence le temps nécessaire à la disparition des changements. Selon Kamsma, cela signifie que les memristors iontroniques peuvent être configurés pour mémoriser les charges électriques précédentes, «à l’instar des mécanismes synaptiques observés dans notre cerveau».
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Le supercalculateur australien DeepSouth ambitionne de devenir la première machine à simuler les synapses cérébrales humaines. Bien que ces recherches se soient concentrées sur les matériaux solides traditionnels, les travaux de Kamsma suggèrent qu’un memristor à eau pourrait être plus adapté à la reproduction de la plasticité synaptique à court terme de notre cerveau.
«Il s’agit d’une étape importante vers la création d’ordinateurs capables non seulement d’imiter les schémas de communication du cerveau humain, mais aussi d’utiliser le même environnement», a déclaré Kamsma. «Cela pourrait ouvrir la voie à des systèmes informatiques reproduisant avec plus de précision les remarquables capacités du cerveau humain.»
L’IA permet aux scientifiques de mieux cartographier le chaos organisé au sein de nos cellules. Alors que l’intelligence artificielle imprègne divers domaines de notre société, elle s’infiltre rapidement dans d’autres. Un domaine où elle apporte une contribution significative est celui de la science des protéines.
Nous parlons des molécules qui alimentent nos cellules. L’IA a fait progresser ce domaine en prédisant l’apparence de ces machines moléculaires, ce qui indique aux scientifiques comment elles accomplissent leur travail, de la transformation de nos aliments à la conversion de la lumière en sucre.
L’intérieur d’une cellule est un système complexe d’interactions entre molécules. Keith Chambers/Science Photo Library
Les scientifiques de Google DeepMind ont propulsé leur modèle de prédiction des protéines à un niveau supérieur avec la sortie d’AlphaFold3. Ce programme, basé sur l’IA, peut prédire la forme unique des protéines, ainsi que pratiquement tout autre type de molécule à laquelle une protéine se lie pour fonctionner.
Le producteur Burley McCoy s’entretient avec l’animatrice Emily Kwong sur l’impact potentiel et les limites de cette nouvelle technologie. Ils abordent également le domaine plus large de la recherche sur les protéines issues de l’IA et les raisons pour lesquelles les chercheurs espèrent qu’elle contribuera à résoudre divers problèmes, des maladies au changement climatique.
Actuellement, certains modèles de laboratoire combinent deux ou plusieurs organoïdes cérébraux pour former un «assembloïde» capable de simuler les interactions intercellulaires entre différentes régions du cerveau.
À cet égard, l’équipe de recherche a déclaré que le domaine doit envisager à l’avance de nouveaux cadres éthiques et réglementaires si les organoïdes conscients deviennent une réalité.
Les scientifiques pensent généralement que les organoïdes cérébraux – des amas de tissus tridimensionnels imitant certaines structures cérébrales – sont trop simples pour permettre la conscience. Mais à mesure que les organoïdes cérébraux deviennent de plus en plus complexes, il existe une possibilité théorique que certains d’entre eux puissent un jour dépasser ce seuil.
Les organoïdes cérébraux créés à ce jour ne représentent généralement qu’une seule partie du cerveau. Ils sont utilisés pour étudier le développement cérébral, les maladies et les effets secondaires des médicaments sans recourir aux animaux ni au cerveau humain.
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