Le dogme central de la biologie moléculaire soutient que l’ADN est transcrit en ARN, qui est ensuite traduit en protéines. Bien sûr, il existe des exceptions : certains virus, comme les coronavirus, renoncent complètement à l’ADN et codent leurs informations génétiques dans des génomes à ARN. D’autres virus, comme le VIH, ont des génomes à ARN qui doivent être copiés en ADN puis retranscrits en ARN avant d’être transformés en protéines. Mais en règle générale, « ADN à ARN à protéine » décrit comment l’information se déplace dans les cellules.

Une propriété unique des molécules biologiques est qu’elles ont une maniabilité. Les molécules naturelles se présentent dans des mélanges à peu près égaux de variétés gauchers et droitiers. Cela signifie que les molécules peuvent avoir des atomes et des formes identiques mais ne peuvent pas être superposées les unes aux autres. Au lieu de cela, ce sont des images miroir l’une de l’autre, comme nos mains droite et gauche.

(Cela peut être difficile à imaginer, c’est pourquoi les pré-médecins qui suivent des cours de chimie organique à l’université passent autant de temps à jouer avec ces modèles moléculaires à billes et à bâtons.)

Contrairement aux molécules naturelles, les molécules biologiques sont toutes unilatérales. Nos acides nucléiques sont tous droitiers (appelés D, du latin dexter), et les protéines sont toutes gauchers (L pour laevus). C’est une caractéristique si unique des molécules biologiques que SETI l’utilise comme signature distinctive lorsqu’elle recherche la vie. Louis Pasteur a remarqué cette partialité pour la première fois en 1848, et les scientifiques spéculent depuis sur la vie en miroir. Maintenant, ils ont fait un pas de plus vers sa création.

Un saut à gauche, un pas à droite

Le laboratoire de Ting F. Zhu à l’Université Tsinghua de Pékin a synthétisé tous les composants nécessaires à un dogme central en miroir. Les chercheurs ont utilisé des méthodes chimiques synthétiques pour synthétiser de courtes séquences d’ADN-L et d’ARN-L en image miroir. Mais il est plus efficace de fabriquer des acides nucléiques en utilisant des enzymes appelées polymérases, c’est-à-dire des protéines. Les protéines naturelles que nous utilisons pour cela ne fonctionnent qu’avec l’ADN-D.

Le laboratoire a donc utilisé la chimie synthétique pour fabriquer des ADN polymérases de protéine D à image miroir et les a utilisées pour répliquer de courts brins d’ADN-L. En d’autres termes, une image miroir d’une protéine normale peut copier l’image miroir d’un ADN normal. Séparément, les chercheurs ont modifié leurs ADN polymérases de protéine D pour les transformer en ARN polymérases afin qu’ils puissent transcrire de courts brins d’ADN-L en ARN-L. Ces polymérases étaient des preuves de concept étonnantes, mais elles étaient inefficaces et sujettes aux erreurs, et elles ne pouvaient générer que de courts morceaux d’acides L-nucléiques.

Maintenant, le laboratoire Zhu a synthétisé chimiquement une image miroir d’une enzyme appelée Pfu ADN polymérase, qui est couramment utilisée pour les réactions PCR. Cette enzyme est résistante à la chaleur et a une très haute fidélité. Mais c’est aussi environ deux fois plus gros que les polymérases que les chercheurs avaient fabriquées auparavant ; les scientifiques ont dû le synthétiser en deux morceaux puis les relier entre eux.

Les chercheurs ont utilisé l’enzyme pour copier un gène en miroir d’une longueur de 1 500 bases, environ 10 fois plus longtemps que les polymérases antérieures pouvaient gérer. Le gène que les chercheurs ont choisi code pour l’ARN ribosomique. Ainsi, lorsqu’ils pourront le transcrire, ils auront une partie d’un ribosome en miroir. Une fois qu’ils auront obtenu toutes les pièces, ils n’auront plus à recourir à des méthodes synthétiques volumineuses pour fabriquer des protéines D à image miroir.

Longue durée de vie

Une utilisation potentielle de l’ADN-L à image miroir est que, comme son homologue naturel de l’ADN-D, il peut être utilisé comme un moyen compact et fiable de stockage d’informations. Mais contrairement à son homologue naturel, il ne peut pas être dégradé par les enzymes, car personne n’a encore fabriqué de D-DNases à image miroir pouvant les dégrader. Pour démontrer une application, Zhu a créé des codes-barres ADN pour des échantillons d’eau environnementaux. Lorsqu’il a essayé d’amplifier le code-barres D-ADN normal d’un échantillon d’étang un jour après l’avoir ajouté, il n’a pas pu être trouvé ; il avait été dégradé. Le code-barres L-DNA à image miroir était encore détectable un an plus tard.

Comme si cela n’était pas assez intelligent, lui et son laboratoire se sont aventurés dans la stéganographie. Ils ont fabriqué une molécule clé d’ADN qui est moitié-D et moitié-L ; image mi-normale et mi-miroir. Comme texte de référence, ils ont encodé le paragraphe de Pasteur de 1860 spéculant sur la vie miroir dans l’ADN-D. Si la clé est lue avec une ADN polymérase normale, elle donne un message d’erreur lorsqu’elle est décodée à l’aide du texte Pasteur. Mais s’il est lu avec une L-ADN polymérase, il donne le message secret de l’ADN miroir.

De toute évidence, l’équipe de Zhu a maintenant l’intention de fabriquer des ribosomes à image miroir pour traduire les ARNm à image miroir en protéines à image miroir. Ce n’est pas une mince affaire – les ribosomes sont très complexes, impliquant des dizaines de protéines et plusieurs molécules d’ARN – mais les chercheurs sont quand même allés assez loin assez rapidement. Et bien sûr, ils prévoient également de fabriquer des D-DNases à image miroir pour « éliminer les molécules d’ADN L stockant des informations après utilisation comme stratégie de bioconfinement ».

Biotechnologie de la nature, 2021 DOI : 10.1038/s41587-021-00969-6