Free Access
Issue
Med Sci (Paris)
Volume 35, Number 10, Octobre 2019
Page(s) 753 - 760
Section M/S Revues
DOI https://doi.org/10.1051/medsci/2019153
Published online 18 October 2019

© 2019 médecine/sciences – Inserm

Au cours des 20 dernières années, le séquençage d’ADN s’est fortement démocratisé et son coût a considérablement diminué, passant de 100 millions de dollars par génome en 2001 à moins de 1 000 dollars aujourd’hui. Cette technologie, très largement répandue dans les laboratoires médicaux et de recherche, s’est même introduite dans les foyers en permettant aux particuliers d’obtenir la séquence de leurs propres génomes. Bien que les coûts actuels soient encore élevés, la synthèse d’ADN est appelée à connaître un essor similaire et devenir dans un futur proche un outil incontournable dans le domaine des biotechnologies. Les récentes innovations technologiques permettent de générer des molécules d’ADN toujours plus grandes et plus nombreuses. En 1979, le premier gène synthétique était constitué de 207 paires de bases (pb) [1]. Depuis, des fragments d’ADN de plus d’un million de pb (Mpb) ont été synthétisés et assemblés atteignant, pour certains, la taille de chromosomes complets [2,3] (Figure 1). Ces avancées marquent les débuts de l’ère de la « génomique synthétique », une discipline émergente de la biologie se situant à l’interface entre science et ingénierie et dont l’un des objectifs est de créer des organismes dont les génomes auront été complètement prédéterminés.

thumbnail Figure 1.

Évolution de la capacité de synthèse de génomes entiers en fonction du temps. Les techniques de synthèse et d’assemblage permettent de produire des constructions d’ADN de plus en plus grandes, qui peuvent maintenant atteindre plusieurs millions de nucléotides.

Après avoir résumé les techniques permettant de synthétiser et d’assembler de grandes molécules d’ADN, nous présenterons dans cette revue les résultats marquants de cette nouvelle discipline, la réglementation actuelle, qui incite à la vigilance, les aspects éthiques de cette recherche, ainsi que les développements attendus pour les prochaines années.

Techniques de synthèse et d’assemblage de fragments d’ADN

Bien que de nouvelles technologies de synthèse de molécules fondées sur l’utilisation d’enzymes soient en cours de développement et suscitent beaucoup d’intérêt [4], il n’existe pas encore de méthode permettant de créer chimiquement de longues molécules d’ADN sans accumuler un nombre important de mutations [5]. Les techniques actuelles reposent donc sur un assemblage progressif de courts fragments d’ADN simple-brin, les oligonucléotides, pour lesquels le taux d’erreur demeure relativement faible pour des tailles atteignant jusqu’à 200 nucléotides. La production de ces oligonucléotides par l’approche traditionnelle de la chimie des phosphoramidites1 stagne depuis quelques années à un coût d’environ 0,05-0,15 dollar par nucléotide en fonction de la quantité produite. Cependant, l’introduction récente de puces à ADN permet d’augmenter considérablement le nombre de molécules produites et de diminuer significativement le prix des oligonucléotides à moins de 0,01 dollar par nucléotide. Ces puces servent de support physique sur lequel un grand nombre d’oligonucléotides de séquences différentes peuvent être synthétisés en parallèle, augmentant ainsi le rendement de la production. Ces courtes molécules d’ADN simple-brin peuvent ensuite être assemblées en utilisant des méthodes souvent apparentées à la réaction en chaîne par polymérase (polymerase chain reaction ou PCR) afin d’obtenir des fragments d’ADN pouvant atteindre quelques centaines à quelques milliers de pb (Figure 2). Plusieurs entreprises proposent de synthétiser ces fragments à un coût inférieur à 100 dollars par millier de pb (kpb), incitant ainsi les clients à commander des séquences d’ADN « prêtes à l’emploi » plutôt que de les amplifier par PCR puis, si nécessaire, de les assembler pour obtenir le produit désiré. Malgré des avantages certains en termes de gain de temps et d’argent, certaines contraintes demeurent. En effet, de nombreuses séquences restent encore difficiles à synthétiser à l’heure actuelle, notamment les séquences ayant un contenu en bases G et C très faible ou très élevé, ou encore des séquences présentant des structures secondaires, des répétitions ou des homopolymères.

thumbnail Figure 2.

Résumé des étapes de conception et de construction d’un génome synthétique. Des oligonucléotides synthétisés chimiquement sont habituellement assemblés in vitro en éléments pouvant atteindre quelques milliers de paires de bases (pb). Ceux-ci peuvent ensuite être combinés in vivo ou in vitro pour former des fragments pouvant aller jusqu’à environ 100 kpb. Finalement, un assemblage de ces fragments peut être complété in vivo pour obtenir des chromosomes complets de l’ordre du Mpb.

Les fragments ainsi obtenus (comprenant entre 0,3 et 10 kpb) lors d’une synthèse initiale (Figure 2) peuvent à leur tour être combinés par assemblages itératifs en faisant appel à des techniques telles que l’assemblage de Gibson2 [6], le Golden Gate3 [7] ou la recombinaison in vivo4 [8]. Des molécules d’ADN dont la taille finale varie de quelques centaines de pb jusqu’à plusieurs mégabases [9] peuvent ainsi être assemblées (Figure 2). Alors que des assemblages de taille inférieure ou égale à 10 kpb peuvent facilement être conservés en solution ou amplifiés de nouveau par PCR, si nécessaire, les assemblages de plus grandes tailles doivent être maintenus dans un vecteur. Ces vecteurs contiennent généralement une origine de réplication à copie unique, un système de partitionnement, et au moins un marqueur de sélection. Ces éléments permettent d’assurer la pérennité des fragments d’ADN clonés chez l’organisme hôte choisi. Par exemple, les BAC (bacterial artificial chromosome) sont utilisés chez les bactéries comme Escherichia coli, les YAC (yeast artificial chromosome) chez la levure Saccharomyces cerevisiae, les HAC (human artificial chromosome) dans des cellules humaines et les PAC (plant artificial chromosome) chez les plantes. Le développement de protocoles de transformation efficaces permettant d’introduire ces longues molécules d’ADN dans un organisme d’intérêt représente aussi un aspect essentiel pour l’utilisation de tels chromosomes. L’électroporation a d’abord été la méthode privilégiée, mais elle s’avère difficile pour des constructions dépassant 0,5 Mpb [10]. La transformation de sphéroplastes5 [11], la transplantation de génomes [12] et la transformation par fusion cellulaire [13] dans la levure ont par la suite été développées. Ces méthodes permettent la transformation des cellules avec des molécules d’ADN plus grandes, certaines pouvant même dépasser 1,5 Mpb.

Les génomes synthétiques : des virus aux cellules eucaryotes

Plus la taille d’une molécule d’ADN à assembler est grande, plus sa construction et son introduction dans un organisme à modifier deviennent complexes. Il n’est donc pas surprenant que les génomes viraux de petites tailles (5 à 30 kpb), aient été les premiers à être synthétisés.

Le premier génome entièrement synthétique fût celui du poliovirus, l’agent responsable de la poliomyélite, en 2002 [14]. Ce génome de 7 740 nucléotides a été synthétisé en trois fragments issus d’oligonucléotides synthétiques. Les fragments ont ensuite été clonés dans des plasmides qui ont enfin été combinés par digestion et ligation enzymatiques. La transcription de cet ADN synthétique en ARN viral a généré des poliovirus infectieux après transfection [14]. En 2003, l’équipe de John Craig Venter a développé une méthode d’assemblage de fragments d’ADN qui a permis de reconstruire le génome du bactériophage ΦX174 en moins de 15 jours [15]. Chacun des deux brins d’ADN du virus ont été synthétisés en courts oligonucléotides de 42 bases qui ont été assemblés dans une réaction inspirée de la PCR pour obtenir un seul chromosome linéaire de 5 386 pb. Ces deux expériences ont permis d’établir les bases des futurs assemblages de génomes. Depuis, plusieurs autres virus ont été synthétisés, comme le génome du bactériophage T7, celui du virus de la grippe espagnole de 1918 ou encore du virus de l’immunodéficience humaine (VIH) (Tableau I). À l’heure actuelle, la synthèse de génomes viraux, que ce soit pour des virus à ADN ou à ARN, des virus pathogènes ou non-pathogènes, et quelles que soient leurs tailles (quelques milliers à plusieurs centaines de nucléotides), pose relativement peu de difficultés. Elle fournit un outil puissant pour étudier la fonction des gènes et mieux appréhender les mécanismes gouvernant la pathogénicité des virus. Il est aussi possible de recoder entièrement ces génomes viraux en jouant, par exemple, sur la dégénérescence des codons. Ces altérations permettent d’envisager des stratégies de lutte totalement inédites. Par exemple, des vaccins candidats, à base de virus atténués ou après modification de leurs spécificité d’hôtes, sont actuellement à l’étude [1619].

Tableau I

Chromosomes synthétiques publiés à ce jour.

Quelques années après la synthèse du génome du phage ΦX174, l’équipe de Venter a publié la synthèse complète d’un premier génome bactérien, celui de Mycoplasma genitalium [10]. Cette bactérie, qui possède le plus petit génome naturel permettant à une cellule de croître de manière autonome, appartient à la classe des Mollicutes, dont les membres sont caractérisés par leur petit génome et l’absence de paroi cellulaire. Le génome de M. genitalium a pu être assemblé de manière progressive en utilisant une approche hiérarchique : des petits fragments d’ADN d’environ 5 à 7 kpb ont d’abord été assemblés in vitro en fragments de plus en plus grands (jusqu’à environ 144 kpb), correspondant à des quarts de génomes, et propagés dans la bactérie E. coli. Les quarts de génomes ont ensuite été assemblés par recombinaison homologue chez la levure S. cerevisiae pour obtenir un chromosome complet de 580 kpb. Cette méthode a par la suite été améliorée pour reconstruire le génome de Mycoplasma mycoides sous-espèce capri, en utilisant uniquement la levure S. cerevisiae [20]. Ce génome a pu être transplanté dans la bactérie Mycoplasma capricolum sous-espèce capricolum, pour produire la première bactérie contrôlée par un génome synthétique. La poursuite de ces travaux a permis, en 2016, la création d’une bactérie au génome minimal (JCVI-syn3.0) duquel la majorité des gènes non-essentiels ont été retirés [3]. De nombreux projets visant à apporter des modifications extensives au génome naturel d’autres bactéries d’intérêt sont en cours, comme en témoigne le récent développement de deux souches d’E. coli n’utilisant respectivement que 59 et 57 codons des 64 habituellement retrouvés chez tous les autres organismes [21, 22]. Le projet Minibacillus, à l’image de JCVI-syn3.0, a, lui, pour objectif d’obtenir une souche minimale de la bactérie modèle Bacillus subtilis [23, 24] pour la caractériser entièrement et déterminer le rôle précis de chaque gène essentiel. Des projets de réductions des génomes de Streptomyces avermitilis [25, 26] et Pseudomonas putida [27] sont également en cours.

À la limite entre l’eucaryote et le procaryote, un chromosome mitochondrial de souris a déjà été synthétisé entièrement à partir d’oligonucléotides en seulement 5 jours [28]. En revanche, un tel génome n’a pas encore été introduit dans une mitochondrie vivante puisque les techniques de transformation de cette organelle restent difficiles à mettre en œuvre [29].

La suite logique consiste à générer les chromosomes d’un organisme eucaryote, ce qui a été initié il y a quelques années dans le cadre du projet Saccharomyces cerevisiae 2.0 (Sc2.0). Plusieurs laboratoires à travers le monde ont uni leurs efforts dans le but de synthétiser les 16 chromosomes de cette levure [30]. Le projet Sc2.0 ne vise pas seulement à recopier la séquence du génome. Certaines modifications, comme la délétion de plusieurs introns non-essentiels et le remplacement de tous les codons d’arrêt de la traduction (codons STOP) UAG par un équivalent UAA, ont aussi été apportées. L’insertion d’un site de recombinaison loxP à la suite de chaque gène non-essentiel permet également l’utilisation de la méthode SCRaMbLE (synthetic chromosome recombination and modification by loxP-mediated evolution) [31] visant à mélanger aléatoirement l’ordre des gènes afin d’obtenir puis d’étudier de nouvelles organisations génomiques supportant la vie. À la différence des projets précédents, les chromosomes de la levure Sc2.0 ne sont pas réassemblés pour ensuite être introduits intégralement dans la cellule. Des fragments de chromosomes natifs sont en effet remplacés progressivement par leurs équivalents modifiés, d’une taille de 30 à 60 kpb. La modification du génome est donc plus lente puisque la reconstruction d’un seul chromosome peut prendre plus d’une trentaine de cycles de remplacement nécessitant chacun des étapes de vérification portant autant sur la viabilité de la souche que sur la validité de la séquence introduite [2]. La reconstruction du génome Sc2.0 a débuté il y a environ 10 ans par la synthèse d’un des bras des chromosomes VI et IX de la levure [32] et s’est poursuivie avec la publication de la synthèse complète du chromosome III trois ans plus tard [33]. Par la suite, le consortium a annoncé la synthèse des chromosomes II [34], V [35], VI [36], X [37] et XII [2] dans un numéro spécial de Science. La reconstruction du génome de la levure se poursuit et culminera avec le rassemblement des différents chromosomes ainsi synthétisés dans une seule et même souche, ce qui devrait permettre d’obtenir le premier organisme eucaryote portant un génome synthétique.

Les chromosomes artificiels sont également des outils convoités par des chercheurs étudiant les plantes. Sans pouvoir actuellement synthétiser des chromosomes complets de novo, des chromosomes natifs peuvent être tronqués en mini-chromosomes qui peuvent être modifiés. Cet outil a déjà été utilisé chez plusieurs organismes tels que le maïs [38], Arabidopsis thaliana (arabette des dames) [39,40], le riz [41] et l’orge [42]. Des avancées importantes ont également été rapportées dans la construction et la manipulation de chromosomes de chloroplastes6, beaucoup plus faciles à assembler et à modifier que les chromosomes nucléaires [43]. Il est également possible de les transformer en utilisant des méthodes comme la biolistique7 [44].

Le consortium international Genome Project-Write (GP-write), formé en 2016 dans le but de promouvoir le développement des technologies permettant la synthèse et l’initialisation des génomes, propose de synthétiser un génome humain modifié et de l’introduire dans une lignée cellulaire [45] ().

(→) Voir la Chronique génomique de B. Jordan, m/s n° 10, octobre 2016, page 898

Plusieurs laboratoires, par exemple aux États-Unis, en Chine, en Angleterre, au Canada et au Japon, ont signifié leur intérêt à y participer [46]. Plusieurs aspects, tant technologiques qu’éthiques, devront cependant être davantage développés avant d’entreprendre cette tâche colossale. Actuellement, une douzaine de projets pilotes sont en cours, dont un portant sur l’ingénierie de lignées cellulaires afin de les rendre plus sûres et d’améliorer leurs propriétés pour des applications biotechnologiques [47] ().

(→) Voir la Chronique génomique de B. Jordan, m/s n° 8-9, aoûit-septembre 2018, page 749

Il n’est cependant pas question de modifier des organes ou des cellules germinales dans le cadre de ce projet.

Réglementation et considérations éthiques

La capacité à synthétiser des chromosomes et des génomes provoque certains débats. La synthèse du virus de la grippe espagnole de 1918 [48] et la récente création d’une version chimérique du virus de la variole équine [49] ont soulevé plusieurs questions sur le développement accidentel ou délibéré d’organismes potentiellement dangereux [52] ().

(→) Voir le Forum de J.N. Tourier, m/s n° 2, février 2019, page 181

Bien que l’utilisation d’organismes pathogènes et de toxines soit bien réglementée, il y a encore peu de règles législatives déterminant les séquences de nucléotides qui peuvent être synthétisées. Face aux inquiétudes, le Department of health and human services (HHS) américain a publié en 2009 un document intitulé Screening framework guidance for providers of synthetic double-stranded DNA. Ce document décrit une procédure volontaire à appliquer par les compagnies offrant des services de synthèse d’ADN pour contrôler l’utilisation de séquences à des fins malveillantes. Les grandes lignes de cette approche consistent à établir l’identité des acheteurs et à déterminer si les séquences qu’ils commandent peuvent représenter une menace. Cette stratégie d’autogouvernance par les compagnies a été adoptée pour permettre aux chercheurs ayant les équipements et la connaissance requise pour manipuler des organismes potentiellement dangereux, d’effectuer leur recherche sans contraintes majeures. Plusieurs compagnies se sont concertées pour fonder le consortium International gene synthesis consortium (IGSC) dont les membres doivent suivre les recommandations du HHS. Ces entreprises représentent 80 % des fournisseurs de séquences dans le monde, assurant ainsi un certain niveau de contrôle du risque biologique. Les risques associés à la biologie de synthèse ont également été évalués en décembre 2010 par la Presidential commission for the study of bioethical issues (PCSBI). Dans un rapport publié sous le titre New directions : the ethics of synthetic biology and emerging technologies, il est conclu que les capacités actuelles de la biologie de synthèse ne représentent pas un danger en fonction des connaissances scientifiques. Il recommande toutefois une réévaluation de ces capacités au fil des années pour légiférer si un risque plus concret se manifeste. La génomique synthétique possède donc un potentiel important pour mieux comprendre la vie ou pour de nouvelles applications biotechnologiques. Il reste néanmoins essentiel de demeurer vigilant pour éviter les usages éventuellement dangereux ou malicieux.

La synthèse de chromosomes pose également des questions d’ordre éthique. Dans un avenir prochain, la synthèse de chromosomes humains sera techniquement possible et, combinée aux avancées d’ingénierie de génome, des modifications majeures du génome humain pourront être effectuées. Il sera par exemple possible de rendre résitantes des cellules contre certaines maladies ou de leur ajouter de nouvelles voies métaboliques. Bien que certaines de ces applications puissent être bénéfiques dans le cadre de la recherche, il est important de se demander si de telles pratiques sont souhaitables en médecine. En 1997, lors de la 29e session de la conférence générale de l’Organisation des Nations unies pour l’éducation, la science et la culture (UNESCO), la Déclaration universelle sur le génome humain et les droits de l’homme a été adoptée. En plus d’interdire le clonage humain destiné à la reproduction, cette déclaration vise aussi à protéger la dignité du génome humain. Durant cette même conférence, la Déclaration sur les responsabilités des générations présentes envers les générations futures a aussi statué que le génome humain doit être protégé et sa biodiversité sauvegardée. Ces déclarations ne demandent pas de limiter la recherche, mais plutôt de l’exercer avec prudence. L’utilisation de sujets humains n’est pas une option à considérer, même si certaines modifications pourraient sembler avantageuses à court terme. En effet, une telle pratique pourrait diminuer la diversité génétique humaine et ainsi affecter l’adaptabilité de notre espèce à long terme.

La génomique synthétique : promesses, déploiements et applications futures

Bien que les techniques de synthèse de chromosomes permettent, en principe, la création de nouvelles séquences génomiques inédites, les projets rapportés à ce jour demeurent très fortement inspirés des organismes retrouvés dans la nature. Les séquences, la composition en gènes et l’architecture des chromosomes n’ont en effet pas encore fait l’objet d’un grand nombre de modifications qui, collectivement, permettront de faire émerger les principes fondamentaux régissant l’ingénierie des génomes. Lorsque ces principes de base seront mieux compris, des efforts de conception rationnelle pourront plus facilement être entrepris, en intégrant des outils informatiques de modélisation cellulaire et de conception assistée par ordinateur. Ces outils permettront non seulement de prédire efficacement les phénotypes attendus, mais aussi d’établir l’architecture détaillée des chromosomes. Ces génomes pourront être organisés en modules regroupant des fonctions communes, qui seront combinés selon les besoins spécifiques de l’organisme désiré. Les cellules produites pourront ainsi contenir des gènes recodés, utilisant des codons synonymes ou n’existant pas dans la nature (Figure 3), ou inclure diverses machineries cellulaires spécialisées ou des combinaisons de voies métaboliques actuellement inexistantes. Une variété d’applications pourront alors être envisagées comme la production de molécules d’intérêt, la bioremédiation, le traitement de maladies ou encore la création de vaccins plus efficaces.

thumbnail Figure 3.

Les génomes synthétiques du futur. Les progrès de la génomique synthétique mèneront à des génomes ayant des propriétés différentes de celles observées dans la nature. Le développement de nucléotides synthétiques et l’utilisation de codes génétiques alternatifs permettront de créer des cellules artificielles dont le matériel génétique ne correspond à aucun autre organisme retrouvé dans la nature.

Un autre axe en développement vise à créer des organismes utilisant des nucléotides non-canoniques dans leur génome (Figure 3). Ceci permettrait non seulement de distinguer les organismes synthétiques des organismes naturels, mais également de leur conférer des caractéristiques intéressantes [50] ().

(→) Voir la Chronique génomique de B. Jordan, m/s n° 2, février 2018, page 179

Un avantage de cet ADN artificiel est qu’il impose une dépendance à des nucléotides n’existant pas naturellement, limitant ainsi la dissémination dans l’environnement des organismes génétiquement modifiés. L’utilisation de nouvelles bases azotées pour la synthèse de l’ADN [53] () implique l’écriture de nouveaux codes génétiques, ce qui permettra d’immuniser l’organisme contre les virus utilisant des codes naturels. Cette approche permettra également de limiter l’expression de gènes acquis lors de potentiels évènements d’échange de matériel génétique par transfert horizontal entre organismes naturels et synthétiques. L’incompatibilité entre les codes naturels et synthétiques serait à l’origine d’erreurs de traduction des protéines, en causant des interruptions précoces ou en menant à l’incorporation d’acides aminés inappropriés. Des acides aminés non-naturels pourraient être incorporés par certains de ces codons non-utilisés ou synthétiques, offrant ainsi des capacités structurales ou enzymatiques améliorées pour diverses protéines. Une souche de la bactérie E. coli possédant des nucléotides non-naturels a déjà été produite [51] et des souches utilisant un code génétique réduit sont disponibles [21, 22].

(→) Voir la Chronique génomique de B. Jordan, m/s n° 5, mai 2019, page 483

Conclusion

Les avancées technologiques spectaculaires des dernières années nous permettent d’assister aux prémices de l’ère de la génomique synthétique. Les défis sont encore nombreux avant d’atteindre le plein potentiel de cette discipline émergente, mais il est probable qu’elle transformera la recherche fondamentale et appliquée dans un futur proche [66] (). La capacité de synthèse massive d’ADN promet également d’accélérer les recherches en sciences biologiques en plus de constituer un outil important en biologie de synthèse pour répondre aux multiples obstacles auxquels l’humanité devra faire face au cours de ce siècle.

(→) Voir la Synthèse de F. Labroussaa et al., page 761 de ce numéro

Liens d’intérêt

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.


1

Les nucléosides phosphoramidites sont utilisés depuis les années 1980 pour la synthèse chimique d’ADN. Cette réaction progresse en ajoutant un nucléotide de l’extrémité 3’ vers l’extrémité 5’ des molécules et utilise habituellement un support solide ainsi qu’un groupement protecteur.

2

La méthode de Gibson permet d’assembler des fragments d’ADN. Elle est fondée sur la génération d’extrémités cohésives entre fragments suite à la dégradation partielle des extrémités 5’ par l’exonucléase T5. Les extrémités complémentaires des fragments ainsi dénudés se lient spécifiquement par hybridation avant qu’une ADN polymérase et une ligase thermostable permettent de les joindre de manière covalente.

3

La technique de Golden Gate repose sur l’utilisation d’enzymes de restriction de type IIS clivant l’ADN en aval de leur site de liaison, créant ainsi une extrémité cohésive de quelques nucléotides dont la séquence peut être déterminée par l’expérimentateur. Des fragments possédant des extrémités cohésives compatibles peuvent ainsi être assemblés dans un ordre précis à l’aide d’une ligase d’ADN.

4

La recombinaison homologue peut être suffisamment efficace chez certains organismes comme la levure pour permettre de joindre des fragments d’ADN dans un ordre dépendant de séquences parfaitement homologues présentes à l’extrémité des molécules à assembler.

5

Levure dépourvue de sa paroi, exposant sa membrane plasmique.

6

Le chloroplaste est un organite qui assure la photosynthèse des végétaux. Comme la mitochondrie, le chloroplaste contient une molécule d’ADN circulaire, ou chromosome chloroplastique.

7

Cette technique est fondée sur la propulsion à très haute vitesse de particules sur lesquelles est greffé de l’ADN. Elle a été développée afin d’effectuer des transfections à travers la paroi des cellules végétales.

Références

  1. Sekiya T, Takeya T, Brown EL, et al. Total synthesis of a tyrosine suppressor transfer RNA gene XVI. Enzymatic joinings to form the total 207-base pair-long DNA. J Biol Chem 1979 ; 254 : 5787–801. [PubMed] [Google Scholar]
  2. Zhang W, Zhao G, Luo Z, et al. Engineering the ribosomal DNA in a megabase synthetic chromosome. Science 2017 ; 355 : eaaf3981. [Google Scholar]
  3. Hutchison CA III, Chuang R-Y, Noskov VN, et al. Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science 2016 ; 351 : 1414–26. [Google Scholar]
  4. Palluk S, Arlow DH, De Rond T, et al. De novo DNA synthesis using polymerasenucleotide conjugates. Nat Biotechnol 2018 ; 36 : 645–50. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  5. Kosuri S, Church GM. Large-scale de novo DNA synthesis : Technologies and applications. Nat Methods 2014 ; 11 : 499–507. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  6. Gibson DG, Young L, Chuang R-Y, et al. Enzymatic assembly of DNA molecules up to several hundred kilobases. Nat Methods 2009 ; 6 : 343–5. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  7. Engler C, Kandzia R, Marillonnet S . A one pot, one step, precision cloning method with high throughput capability. PLoS One 2008 ; 3 : e3647. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  8. Gibson DG, Benders GA, Axelrod KC, et al. One-step assembly in yeast of 25 overlapping DNA fragments to form a complete synthetic Mycoplasma genitalium genome. Proc Natl Acad Sci U S A 2008 ; 105 : 20404–9. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  9. Kuroiwa Y, Tomizuka K, Shinohara T, et al. Manipulation of human minichromosomes to carry greater than megabase-sized chromosome inserts. Nat Biotechnol 2000 ; 18 : 1086–90. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  10. Gibson DG, Benders GA, Andrews-Pfannkoch C, et al. Complete chemical synthesis, assembly, and cloning of a Mycoplasma genitalium genome. Science 2008 ; 319 : 1215–20. [Google Scholar]
  11. Lartigue C, Vashee S, Algire MA, et al. Creating bacterial strains from genomes that have been cloned and engineered in yeast. Science 2009 ; 325 : 1693–6. [Google Scholar]
  12. Lartigue C, Glass JI, Alperovich N, et al. Genome transplantation in bacteria : changing one species to another. Science 2007 ; 317 : 632–8. [Google Scholar]
  13. Karas BJ, Jablanovic J, Irvine E, et al. Transferring whole genomes from bacteria to yeast spheroplasts using entire bacterial cells to reduce DNA shearing. Nat Protoc 2014 ; 9 : 743–50. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  14. Cello J, Paul AV, Wimmer E . Chemical synthesis of poliovirus cDNA : Generation of infectious virus in the absence of natural template. Science 2002 ; 297 : 1016–8. [Google Scholar]
  15. Smith HO, Hutchison C a, Pfannkoch C, et al. Generating a synthetic genome by whole genome assembly : phiX174 bacteriophage from synthetic oligonucleotides. Proc Natl Acad Sci USA 2003 ; 100 : 15440–5. [CrossRef] [Google Scholar]
  16. Brown M, Lleras R, Mehedi M, et al. Genetic stability of genome-scale deoptimized RNA virus vaccine candidates under selective pressure. Proc Natl Acad Sci USA 2017 ; 114 : E386–95. [CrossRef] [Google Scholar]
  17. Le Nouen C, Luongo C, Yang L, et al. Attenuation of human respiratory syncytial virus by genome-scale codon-pair deoptimization. Proc Natl Acad Sci USA 2014 ; 111 : 13169–74. [CrossRef] [Google Scholar]
  18. Yurovsky A, Mueller S, Ward CB, et al. Large-scale recoding of an arbovirus genome to rebalance its insect versus mammalian preference. Proc Natl Acad Sci USA 2015 ; 112 : 4749–54. [CrossRef] [Google Scholar]
  19. Wimmer E, Paul AV. Synthetic poliovirus and other designer viruses : What have we learned from them? Annu Rev Microbiol 2010 ; 65 : 583–609. [Google Scholar]
  20. Gibson DG, Glass JI, Lartigue C, et al. Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science 2010 ; 329 : 52–6. [Google Scholar]
  21. Fredens J, Wang K, de la Torre D de, et al. Total synthesis of Escherichia coli with a recoded genome. Nature 2019 ; 569 : 514–8. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  22. Ostrov N, Landon M, Guell M, et al. Design, synthesis, and testing toward a 57-codon genome. Science 2016 ; 353 : 819–22. [Google Scholar]
  23. Reuß DR, Altenbuchner J, Mäder U, et al.. Large-scale reduction of the Bacillus subtilis genome : Consequences for the transcriptional network, resource allocation, and metabolism. Genome Res 2017 ; 27 : 289–99. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  24. Reuß DR, Commichau FM, Gundlach J, et al. The blueprint of a minimal cell : MiniBacillus. Microbiol Mol Biol Rev 2016 ; 80 : 955–87. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  25. Ikeda H, Satoshi KS. Genome mining of the Streptomyces avermitilis genome and development of genome-minimized hosts for heterologous expression of biosynthetic gene clusters. J Ind Microbiol Biotechnol 2014 ; 41 : 233–50. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  26. Komatsu M, Uchiyama T, Omura S, et al. Genome-minimized Streptomyces host for the heterologous expression of secondary metabolism. Proc Natl Acad Sci USA 2010 ; 107 : 2646–51. [CrossRef] [Google Scholar]
  27. Leprince A, De Lorenzo V, Völler P, et al. Random and cyclical deletion of large DNA segments in the genome of Pseudomonas putida. Environ Microbiol 2012 ; 14 : 1444–53. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  28. Gibson DG, Smith HO, Hutchison CA, et al. Chemical synthesis of the mouse mitochondrial genome. Nat Methods 2010 ; 7 : 901–3. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  29. Lightowlers RN. Mitochondrial transformation : time for concerted action. EMBO Rep 2011 ; 12 : 480–1. [PubMed] [Google Scholar]
  30. Richardson SM, Mitchell LA, Stracquadanio G, et al. Design of a synthetic yeast genome. Science 2017 ; 355 : 1040–4. [Google Scholar]
  31. Dymond J, Boeke J. The saccharomyces cerevisiae SCRaMbLE system and genome minimization. Bioeng Bugs 2012 ; 3 : 168–71. [PubMed] [Google Scholar]
  32. Dymond JS, Richardson SM, Coombes CE, et al. Synthetic chromosome arms function in yeast and generate phenotypic diversity by design. Nature 2011 ; 477 : 471–6. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  33. Annaluru N, Muller H, Mitchell LA, et al. Total synthesis of a functional designer eukaryotic chromosome. Science 2014 ; 344 : 55–8. [Google Scholar]
  34. Shen Y, Wang Y, Chen T, et al. Deep functional analysis of synII, a 770-kilobase synthetic yeast chromosome. Science 2017 ; 355 : eaaf4791. [Google Scholar]
  35. Xie Z-X, Li B-Z, Mitchell LA, et al. “Perfect” designer chromosome V and behavior of a ring derivative. Science 2017 ; 355 : eaaf4704. [Google Scholar]
  36. Mitchell LA, Wang A, Stracquadanio G, et al. Synthesis, debugging, and effects of synthetic chromosome consolidation : synVI and beyond. Science 2017 ; 355 : eaaf4831. [Google Scholar]
  37. Wu Y, Li BZ, Zhao M, et al. Bug mapping and fitness testing of chemically synthesized chromosome X. Science 2017 ; 355 : eaaf4706. [Google Scholar]
  38. Yu W, Han F, Gao Z, et al. Construction and behavior of engineered minichromosomes in maize. Proc Natl Acad Sci USA 2007 ; 104 : 8924–9. [CrossRef] [Google Scholar]
  39. Nelson AD, Lamb JC, Kobrossly PS, et al. Parameters affecting telomere-mediated chromosomal truncation in Arabidopsis. Plant Cell 2011 ; 23 : 2263–72. [Google Scholar]
  40. Teo CH, Ma L, Kapusi E, et al. Induction of telomere-mediated chromosomal truncation and stability of truncated chromosomes in Arabidopsis thaliana. Plant J 2011 ; 68 : 28–39. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  41. Xu C, Cheng Z, Yu W Construction of rice mini-chromosomes by telomere-mediated chromosomal truncation. Plant J 2012 ; 70 : 1070–9. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  42. Kapusi E, Ma L, Teo CH, et al. Telomere-mediated truncation of barley chromosomes. Chromosoma 2012 ; 121 : 181–90. [Google Scholar]
  43. Boehm CR, Bock R. Recent advances and current challenges in synthetic biology of the plastid genetic system and metabolism. Plant Physiol 2019 ; 179 : 794–802. [Google Scholar]
  44. Vafaee Y, Staniek A, Mancheno-Solano M, et al. A modular cloning toolbox for the generation of chloroplast transformation vectors. PLoS One 2014 ; 10 : e110222. [Google Scholar]
  45. Jordan B. HGP-write : après la lecture, l’écriture ? Med/Sci (Paris) 2016 ; 32 : 898–901. [CrossRef] [EDP Sciences] [PubMed] [Google Scholar]
  46. Boeke JD, Church GM, Hessel A, et al. GP-write : a grand challenge project to build and test genomes in living cells. http://engineeringbiologycenter.org/wp-content/uploads/2018/08/2018_MeetingSummary.pdf. [Google Scholar]
  47. Jordan B. De HGP-write aux super-cellulesMed/Sci (Paris) 2018 ; 34 : 749–51. [CrossRef] [Google Scholar]
  48. Tumpey TM, Basler CF, Aguilar PV, et al. Characterization of the reconstructed 1918 Spanish influenza pandemic virus. Science 2005 ; 310 : 77–80. [Google Scholar]
  49. Noyce RS, Lederman S, Evans DH. Construction of an infectious horsepox virus vaccine from chemically synthesized DNA fragments. PLoS One 2018 ; 13 : e0188453. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  50. Jordan B. Bases alternatives et organismes synthétiques. Med/Sci (Paris) 2018 ; 34 : 179–82. [CrossRef] [EDP Sciences] [PubMed] [Google Scholar]
  51. Zhang Y, Lamb BM, Feldman AW, et al. A semisynthetic organism engineered for the stable expansion of the genetic alphabet. Proc Natl Acad Sci USA 2017 ; 114 : 1317–22. [CrossRef] [Google Scholar]
  52. Tournier JN. L’éradication des maladies infectieuses virales mise en danger par les avancées de la biologie synthétique. Med Sci (Paris) 2019 ; 35 : 181–6. [CrossRef] [EDP Sciences] [PubMed] [Google Scholar]
  53. Jordan B. Extension du domaine du codage : l’ADN hachimoji. Med Sci (Paris) 2019 ; 35 : 483–5. [CrossRef] [EDP Sciences] [PubMed] [Google Scholar]
  54. Stemmer WPC, Crameri A, Ha KD, et al. Single-step assembly of a gene and entire plasmid from large numbers of oligodeoxyribonucleotides. Gene 1995 ; 164(49–53) : 55. [Google Scholar]
  55. Lee YN, Bieniasz PD. Reconstitution of an infectious human endogenous retrovirus. PLOS Pathog 2007 ; 3 : e10. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  56. Becker MM, Graham RL, Donaldson EF, et al. Synthetic recombinant bat SARS-like coronavirus is infectious in cultured cells and in mice. Proc Natl Acad Sci USA 2008 ; 105 : 19944–9. [CrossRef] [Google Scholar]
  57. Nauwelaers D, Van Houtte M, Winters B, et al. A synthetic HIV-1 subtype C bakbone generates comparable PR and RT resistance profiles to a subtype B backbone in a recombinant virus assay. PLOS One 2011 ; 6 : e19643. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  58. Yang R, Han Y, Ye Y, et al. Chemical synthesis of bateriophage G4. PloS One 2011 ; 6 : e27062. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  59. Munshaw S, Bailey JR, Liu L, et al. Computational reconstruction of Bole1a, a representative synthetic hepatitis C virus subtype 1a genome. J Virol 2012 ; 86 : 5915–21. [PubMed] [Google Scholar]
  60. Liu Y, Han Y, Huang W, et al. Whole-genome synthesis and characterization of viable S13-like bacteriophages. PLoS One 2012 ; 7 : e41124. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  61. Scholte FEM, Tas A, Martina BEE, et al. Characterization of synthetic Chikungunya virus based on the consensus sequence of recent E1–226V isolates. PLOS One 2013 ; 8 : e71047. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  62. Cooper B. Proof by synthesis of Tobacco mosaic virus. Genome Res 2014 ; 15 : R67. [Google Scholar]
  63. Lovato A, Faoro F, Gambino G, et al. Construction of a synthetic infectious cDNA clone of Grapevine Algerian latent virus (GALV-Nf) and its biological activity in Nicotiana benthamiana and grapevine plants. Virol J 2014 ; 11 : 186. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  64. Vu HLX, Ma F, Laegreid WW, et al. A synthetic porcine reproductive and respiratory syndrome virus strain confers unprecedented levels of heterologous protection. J Virol 2015 ; 89 : 12070–83. [PubMed] [Google Scholar]
  65. Shang Y, Wang M, Xiao G, et al. Construction and rescue of a functional synthetic baculovirus. ACS Synth Biol 2017 ; 6 : 1393–402. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  66. Labroussaa F, Baby V, Rodrigue S, Lartigue C. La transplantation des génomes : redonner vie à des génomes bactériens naturels ou synthétiques. Med Sci (Paris) 2019 ; 35 : 761–70. [CrossRef] [EDP Sciences] [PubMed] [Google Scholar]

Liste des tableaux

Tableau I

Chromosomes synthétiques publiés à ce jour.

Liste des figures

thumbnail Figure 1.

Évolution de la capacité de synthèse de génomes entiers en fonction du temps. Les techniques de synthèse et d’assemblage permettent de produire des constructions d’ADN de plus en plus grandes, qui peuvent maintenant atteindre plusieurs millions de nucléotides.

Dans le texte
thumbnail Figure 2.

Résumé des étapes de conception et de construction d’un génome synthétique. Des oligonucléotides synthétisés chimiquement sont habituellement assemblés in vitro en éléments pouvant atteindre quelques milliers de paires de bases (pb). Ceux-ci peuvent ensuite être combinés in vivo ou in vitro pour former des fragments pouvant aller jusqu’à environ 100 kpb. Finalement, un assemblage de ces fragments peut être complété in vivo pour obtenir des chromosomes complets de l’ordre du Mpb.

Dans le texte
thumbnail Figure 3.

Les génomes synthétiques du futur. Les progrès de la génomique synthétique mèneront à des génomes ayant des propriétés différentes de celles observées dans la nature. Le développement de nucléotides synthétiques et l’utilisation de codes génétiques alternatifs permettront de créer des cellules artificielles dont le matériel génétique ne correspond à aucun autre organisme retrouvé dans la nature.

Dans le texte

Current usage metrics show cumulative count of Article Views (full-text article views including HTML views, PDF and ePub downloads, according to the available data) and Abstracts Views on Vision4Press platform.

Data correspond to usage on the plateform after 2015. The current usage metrics is available 48-96 hours after online publication and is updated daily on week days.

Initial download of the metrics may take a while.