Biologie synthétique

L’ingénierie génétique et métabolique de bactéries rares et de micro-organismes de bioproduction

Grâce à une expertise approfondie en génomique bactérienne, l’unité de biologie synthétique participe activement à l’identification des composés d’intérêts et aux circuits génétiques impliqués dans leurs productions. Une fois identifié, le nouveau composé doit être produit afin d’être purifié, caractérisé puis utilisé dans les phases de développement ultérieures. Le métabolisme de la bactérie est alors réorienté pour améliorer la synthèse du composé. Si celle-ci s’avère réfractaire à toute modification génétique, les voies de biosynthèse du composé sont transférées dans un organisme bioproducteur apparenté, nommé châssis.

Au cours de milliers d’années d’évolution, chaque bactérie a acquis des propriétés métaboliques robustes et stables parfaitement adaptées à son environnement. Sa transformation en micro-usine spécialisée est alors un défi technologique visant à rétablir un équilibre biologique associant la survie et la pérennité du micro-organisme nouvellement modifié avec l’optimisation de la production du composé. Cet enjeu exige une parfaite maitrise de la génétique et du métabolisme propre à chaque espèce.

Activités principales

Identification des zones du génome responsables de l’activité biologique d’intérêt

En collaboration avec les unités science des données et test d'activité, l’unité identifie les loci génomiques responsables de l'activité par knock-out (inactivation de gènes), ou par transfert vers un châssis bactérien.

Sélection du châssis de production

Le choix du châssis bactérien est orienté par sa proximité évolutive avec l'espèce bactérienne naturellement productrice du composé d’intérêt. Du fait de leurs ressemblances (structure des gènes, contrôle de leur expression, sites de liaison aux ribosomes…), les unités d’expression responsables de la synthèse du composé seront en effet plus efficaces dans des châssis phylogénétiquement proches de la bactérie d’origine. En lien avec les unités de biodiculture et de science des données, l’unité sélectionne donc le meilleur châssis sur la base des informations génétiques disponibles et des données de séquençage.

Ingénierie des voies métaboliques cibles

Au-delà des modifications dans le ou les groupes de gènes responsables de la production du composé, plusieurs autres modifications génétiques du châssis sont nécessaires. Il s’agit d’abord de mieux comprendre les voies métaboliques utilisées à la fois dans la souche d'origine et dans le châssis bactérien. Cette analyse qui s’appuie en partie sur des données métabolomiques est conduite en collaboration avec l’unité d’analyses avancées. La reprogrammation des circuits métaboliques permet d’optimiser le rendement de production du composé lors de sa fabrication à grande échelle. En outre, l’éventuelle toxicité induite par l’expression de la molécule peut être également diminuée grâce à des modifications dans des voies auxiliaires.

Construction automatisée à haut débit

Pour optimiser le réseau métabolique d’un châssis bactérien, l’activité des différents gènes cibles doit être modulée simultanément. Des centaines voire des milliers de souches, présentant des niveaux d'expression différents de ces gènes, doivent être construites afin d'obtenir le châssis bactérien idéal. L'équipe de biologie synthétique a codéveloppé un logiciel de conception sur mesure assistée par ordinateur (CAD4Bio®) qui s’appuie sur une base de données génétiques constamment enrichie. En pratique,CAD4Bio®, via une interface orientée métier, accompagne la conception des constructions génétiques in silico puis pilote leur réalisation à haut-débit sur une plateforme entièrement robotisée. Ce système automatisé inclut un module d’apprentissage : en s’appuyant sur les résultats des expériences précédentes, l’intelligence artificielle prédit la faisabilité et la probabilité de succès des nouvelles constructions.  Grâce à cette approche, l'unité est aujourd’hui en mesure de produire en moyenne 1000 nouvelles souches bactériennes par mois.

Conception et développement de nouveaux outils génétiques et de nouvelles micro-usines

Au cours des cinquante dernières années, une myriade d’outils génétiques a été développée par les chercheurs. Si ces approches fonctionnent avec des espèces bactériennes courantes, elles sont inadaptées à des microorganismes rares et difficiles à apprivoiser. Parce que les bactéries communes comme Escherichia coli sont rarement les châssis les plus appropriés pour produire des métabolites d'intérêt, l'unité de biologie synthétique a conçu et développé un ensemble d'outils génétiques spécifiquement adapté à l'ingénierie de bactéries rares, peu ou pas étudiées. Ces outils ont déjà permis à l'équipe de conduire avec succès l’ingénierie de plusieurs nouvelles espèces et phyla représentés dans l'arbre phylogénétique des procaryotes. Aujourd’hui, DEINOVE poursuit ces développements afin d’enrichir continuellement la gamme des technologies et des micro-usines bactériennes disponibles.

Activités support

  • Analyse des données métagénomiques en collaboration avec les unités de biodiculture et  de science des données pour identifier les espèces bactériennes présentes dans les échantillons environnementaux.

  • Conception de souches de référence permettant de révéler les activités recherchées par l’unité chargée des tests d’activité.

  • Une fois qu'un composé a été produit avec succès dans le châssis bactérien conçu et développé par DEINOVE, et son potentiel confirmé, il est produit à l’échelle préindustrielle puis industrielle. L'équipe de biologie synthétique travaille alors main dans la main avec l'unité d'ingénierie fermentaire pour introduire les modifications génétiques supplémentaires qui garantiront une production stable du composé dans les bioréacteurs d’usines.

Bibliographie

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Krishnamurthy, M., Moore, R. T., Rajamani, S., & Panchal, R. G. (2016). Bacterial genome engineering and synthetic biology: combating pathogens. BMC Microbiology, 16(1).