Biologie synthétique

L’ingénierie des voies métaboliques et des châssis bactériens

Une fois identifié, le nouveau composé doit être produit afin d’être purifié, caractérisé puis utilisé dans les phases de développement ultérieures. Pour cette étape, l’unité de biologie synthétique s’appuie sur des châssis bactériens propriétaires. L’ingénierie de ces micro-usines est réalisée à l’aide d'outils génétiques déjà disponibles ou spécifiquement développés par DEINOVE. Le métabolisme de la bactérie est alors réorienté pour améliorer la synthèse du composé (si celui-ci est déjà fabriqué naturellement par la bactérie) ou doter cette souche de la capacité à le produire. Chaque bactérie ayant développé des propriétés métaboliques robustes et stables adaptées à son environnement, sa transformation en micro-usine spécialisée est un défi technologique qui 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 locus génomiques (loci) responsables de l'activité par knock-out (inactivation de gènes).

Sélection du châssis bactérien chargé de produire le composé

Le choix du châssis bactérien est conditionné par sa proximité évolutive avec l'espèce bactérienne dans laquelle le composé a été identifié. Du fait de leurs ressemblances (structure des gènes, contrôle de leur expression, sites de liaison aux ribosomes…), les unités d’expression (les groupes ou cluster de gènes) 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 les données métabolomiques est conduite en collaboration avec l’unité d’analyses avancées. L’éventuelle toxicité induite par les concentrations de la molécule peut être également prévenue grâce à d’autres modifications. Enfin, l’ingénierie génétique permettra également d’améliorer le rendement de production du composé lors de sa fabrication à grande échelle.

Construction automatisée à haut débit de châssis bactériens

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 avant d'obtenir le châssis bactérien idéal. L'équipe de biologie synthétique a mis au point un logiciel de conception sur mesure assistée par ordinateur (CAD4Bio) qui s’appuie sur une base de données enrichie de biobriques (gènes, groupes de gènes, promoteurs), de génomes et de voies moléculaires. En pratique, CAD4Bio génère une batterie de constructions génétiques in silico puis un robot se charge du clonage à grande échelle et de la construction à haut débit des souches. Ce système automatisé inclut un module d’apprentissage : en s’appuyant sur les résultats des expériences précédentes, l’intelligence artificielle permet ainsi de prédire la faisabilité et la probabilité de succès des nouvelles constructions ce qui contribue à accélérer et dérisquer cette étape clef du développement. Grâce à cette approche, l'unité produit aujourd’hui 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 et les développeurs. 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 E. coli sont rarement les châssis le 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 au sein de 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 et fourniture de souches témoin pour certains essais conduits par les scientifiques de 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).