La biologie de synthèse, ou biologie synthétique, est une discipline scientifique et biotechnologique émergente qui combine biologie et principes d'ingénierie, dans le but de concevoir et construire (« synthétiser ») de nouveaux systèmes et fonctions biologiques, avec des applications notamment développées par les secteurs agropharmaceutique, chimique, agricole et énergétique.
Objectifs Les objectifs de la biologie de synthèse sont de deux types : tester et améliorer notre compréhension des principes gouvernant la biologie (apprendre en construisant) ; construire de façon fiable des organismes accomplissant des fonctions biologiques complexes répondant à diverses applications (énergie, santé par exemple).
Concepts Dans sa phase actuelle, la biologie de synthèse vise surtout à rendre le génie biologique plus simple et rapide, plus accessible et moins onéreux par usage extensif de principes d'ingénierie (standardisation, automation, conception assistée par ordinateur…) ayant fait leurs preuves dans d’autres domaines plus matures tels le génie civil ou l’électronique. Pour cela, elle doit relever des défis d'ingénierie propres au « substrat biologique », alors que les principes de fonctionnement des systèmes biologiques ou l'évolution ne sont pas encore tous compris.
Modifier le vivant ou en détourner certaines fonctions pose aussi des questions philosophiques et éthiques nouvelles et complexes. Notamment sur le fait de savoir s'il est possible ou souhaitable d'assimiler les êtres vivants à des « machines » et avec quelles conséquences, ou concernant la question de la brevetabilité du vivant ou de ses produits, et plus généralement de la propriété intellectuelle appliquée au vivant.
Histoire vignette|upright=1.4|Fonction des 473 gènes du génome de l'organisme synthétique
Première génération : les années 1900 Au début du , les travaux de Charles Darwin sur l'évolution sont complétés par la re-découverte des lois de l'hérédité de Mendel. Certains biologistes, tels Hugo de Vries, suggèrent de contrôler et de diriger les mécanismes de l'évolution en laboratoire pour créer de nouvelles formes de vie présentant des propriétés nouvelles. On peut retracer l'apparition du terme lui-même à 1910 et 1912, quand Stéphane Leduc (1853–1939), un biologiste français, publia son ouvrage intitulé Théorie physico-chimique de la vie et générations spontanées (1910)Théorie physico-chimique de la vie et générations spontanées, S. Leduc, 1910 et La biologie synthétique (1912), dans lequel il affirme que pour tester la validité de nos connaissances en biologie, la fabrication, ou « synthèse », doit succéder à l'analyseLa biologie de synthèse, étude de biophysique, S. Leduc, 1912 : « Quand on est arrivé à connaître le mécanisme physique de la production d'un objet ou d'un phénomène, (...) il devient possible (...) de reproduire l'objet ou le phénomène, la science est devenue de synthèse. La biologie est une science comme les autres, (...) elle doit être successivement descriptive, analytique et de synthèse. » À la même époque, Jacques Loeb, un physiologiste allemand installé aux États-Unis, est sans doute le plus grand promoteur de l'émergence d'une technologie basée sur la biologie.
Naissance du génie génétique : les années 1970-1980 La naissance de la biotechnologie « moderne » est généralement datée en 1973 par l'invention des techniques d'ADN recombinant par Stanley Cohen et Herbert Boyer. La première synthèse de gène en 1977 a lieu dans le laboratoire de Boyer. Ce travail donne lieu à l'insuline et à la somatostatine recombinantes. En 1978, le prix Nobel de médecine est décerné à Werner Arber, Daniel Nathans et Hamilton O. Smith pour la découverte des enzymes de restriction et leur application aux problèmes de génétique moléculaire. Dans un éditorial du journal Gene, écrivait : « Le travail sur les nucléases de synthèse nous permet non seulement de construire aisément les molécules d’ADN recombinant et d’analyser les gènes individuels, mais nous a aussi mené à une nouvelle ère de la biologie de synthèse où non seulement les gènes existants sont décrits et analysés, mais où aussi de nouvelles configurations génétiques peuvent être construites et évaluées. »Gene 1978, 4, . L'invention de la réaction en chaîne par polymérase PCR en 1984 par Kary Mullis révolutionne la biologie moléculaire et le génie génétique.
Renaissance : les années 2000 Les méthodes de biologie moléculaire et plus généralement les concepts guidant le génie génétique n'avaient pratiquement pas changé depuis les années 1970, limitant la construction de circuits génétiques complexes et rendant chaque projet de génie génétique herculéen. De plus, aucune stratégie globale d'investissement sur les technologies de base permettant la fabrication rapide et fiable de composants génétiques à bas coût ou la mise en place de registres de composants biologiques extensivement caractérisés pouvant être réutilisés de façon générique n'avait été mise en place. De ce fait, le génie génétique s'apparentait encore à de l'artisanat plutôt qu'à une véritable science de l'ingénieur. Les concepts-clés de standardisation des composants biologiques utilisés, d'« abstraction hiérarchique » et de « découplage » devraient permettre l'utilisation de ces composants dans des systèmes synthétiques de plus en plus complexes.
À la fin des années 90, certains informaticiens se tournant vers la biologie comme Tom Knight au MIT, sont frustrés du manque d'organisation et de méthode du domaine. S'inspirant d'autres sciences de l'ingénieur, Knight introduit le concept de composant standard biologique en créant des Bio-briques (en anglais BioBricks)En anglais, ce néologisme s'écrit avec deux majuscules. Voir :en:BioBrick., des composants biologiques aux diverses fonctions pouvant être assemblés par un protocole standardisé. Durant la même période, à l'université de Berkeley, Roger Brent, Robert Carlson, et Adam Arkin parmi d'autres, posent les bases de ce qu'ils appellent alors biologie « intentionnelle » ou « constructive », qui deviendra biologie de synthèse par la suite. Par opposition au génie génétique contemporain qu'ils considèrent comme majoritairement aléatoire, ils prônent une approche rationnelle inspirée des méthodes de sciences de l'ingénieur plus matures pour la conception et la construction de systèmes biologiques aux fonctions prévisibles, et ce de manière robuste. Par la suite, l'IGEM met en place une plate-forme collaborative sous forme de librairie, le Registre des éléments de la biologie de synthèse.
Le congrès Synthetic Biology 1.0 organisé au MIT en 2004 marquera l'acte de naissance « officiel » de la biologie de synthèse contemporaine.
Le premier organisme utilisant un génome synthétique Des généticiens ont recherché quel était le plus petit organisme connu pouvant être cultivé en souche pure dans un environnement dépourvu de stress et fournissant les nutriments nécessaires. Cela était nécessaire pour pouvoir étudier, reproduire (et éventuellement utiliser ou breveter) un génome correspondant approximativement à l'ensemble minimal de gènes indispensables à la vie et à la reproduction d'une bactérieJohn I. Glass, Nacyra Assad-Garcia, Nina Alperovich, Shibu Yooseph, Matthew R. Lewis, Mahir Maruf, Clyde A. Hutchison, Hamilton O. Smith et Craig Venter Essential genes of a minimal bacterium ; 18 novembre 2005; PNAS.
La bactérie correspondant le mieux à ces critères était à l'époque Mycoplasma genitalium dont le génome (482 gènes codant des protéines, avec 580 kbSéquençage déposé dans la base de données GenBank database (pour Mycoplasma genitalium G37 ATCC 33530 genomic sequence ; accession no. L43967).) était aussi le plus petit connu parmi toutes les espèces connues et pouvant être cultivées.
Son génome présente en outre peu de redondance génomique et cette bactérie (parasite obligatoire à niche écologique restreinte) possède un métabolisme minimal, et elle commençait à être assez bien connue.
Les gènes essentiels du génome de cette bactéries ont été identifiés à partir de la fin des années 1990 : sur 482 gènes codant des protéines, 382 sont indispensables ; pour 28 % d'entre eux la fonction de la protéine codée est inconnue. L'interruption de certains a accéléré la croissance de la bactérie. En 2007, c'est donc à partir de Mycoplasma genitalium que Craig Venter a « fabriqué » Mycoplasma laboratorium, la première bactérie dite synthétique, c'est-à-dire entièrement reconstruite par génie génétique autour d'un chromosome de synthèse (Chromosome artificiel bactérien). Cette bactérie survit (a priori peut-être éternellement si élevée dans un environnement dépourvu de stress) avec un nombre de gènes inférieur à ce qu'on pensait antérieurement nécessaire. Mushegian and Koonin en comparant les génomes de 2 bactéries aux petits génomes - Haemophilus influenzae (Gram-negative) et Mycoplasma genitalium (gram-positive) - avaient supposé que les 256 gènes orthologues (communs à ces 2 bactéries) étaient un nombre proche du nombre minimal de gènes nécessaire à la vie bactérienneFraser, C. M., Gocayne, J. D., White, O., Adams, M. D., Clayton, R. A., Fleischmann, R. D., Bult, C. J., Kerlavage, A. R., Sutton, G., Kelley, J. M., (1995) The Minimal Gene Complement of Mycoplasma genitalium Science 270, 397-403. Abstract/FREE Full Text. Gil et son équipe (3) avaient ensuite proposé le chiffre de 206 gènes codant des protéines, sur la base de l'analyse de plusieurs bactéries endosymbiotes. Le caractère artificiel de cette bactérie pose de nouvelles questions de bioéthique, d'autant que cette bactérie est un parasite (urogénital) obligatoire et un pathogène pour l'homme (maladie sexuellement transmissible). En 2010, le premier organisme contenant un génome intégralement fabriqué par l'homme est décrit dans la Revue Science. Il s'agit d'une souche de dont le génome a été retiré et est remplacé par le génome « JCVI-syn1.0 » conçu par l'équipe de Craig Venter, donnant naissance à une souche de Mycoplasma laboratorium de type pour laquelle Craig Venter a fait une demande de brevet. Ce génome a été créé par la synthèse de oligonucléotides de paires de bases, ces fragments ont été assemblés en 109 fragments de paires de bases, eux-mêmes assemblés en 11 fragments de paires de bases finalement réunis au sein du génome circulaire de paires de bases. En 2016, la même équipe a découpé le génome de Mycoplasma mycoides en différents éléments et les a ensuite réassemblés en éliminant les gènes non indispensables, par essai et erreur. Ils sont ainsi arrivés à une cellule minimale de seulement 473 gènes, dont 41 % interviennent dans la régulation du génome, 18 % dans la structuration et le fonctionnement de la membrane, 17 % dans le métabolisme et 7 % dans la préservation du code génétique : restent 17 % de gènes apparemment indispensables mais dont on ne connaît pas la fonction..
En France En 2010, l'iSSBSite officiel de l'iSSB (Institute of Systems and Synthetic Biology) est le premier laboratoire de recherche en biologie de synthèse grâce à l'aide de Genopole, de l'Université d'Évry-Val-d'Essonne et du CNRS.
En 2010, le mSSBSite officiel du mSSB (master in Systems and Synthetic Biology) est le premier master en Biologie de synthèse (université Paris-Saclay et université d'Évry-Val-d'Essonne).
Un site « Biologie de synthèse » a été ouvert par le gouvernement en 2011Science.gouv, Lancement du site "Biologie de synthèse", 22/06/2011 qui promeut ce volet de la biologie, peu après qu'un rapport de l'OPECST a porté sur la faisabilité de certaines applicationsSénat, OPECST, Geneviève Fioraso, députée, rapporteure, Les enjeux de la biologie de synthèse - Présentation de l'étude de faisabilité, 15/02/11 qui porte notamment sur les .