La biotechnologie de pointe fournit de nouvelles approches à la production de produits chimiques et thérapeutiques
Les usines cellulaires émergent comme une alternative prometteuse pour produire des produits chimiques et thérapeutiques dans les procédés biologiques utilisés dans l'industrie. Cependant, les cellules d'ingénierie qui produisent trop de produits chimiques cibles à des rendements et des taux élevés nuisent à leur taux de croissance naturel et posent certains défis technologiques. L'initiative PROMYS, financée par l'UE, a été conçue pour répondre aux limites scientifiques associées à l'ingénierie des systèmes biologiques complexes. Traditionnellement, l'isolement de phénotypes de cellules de production à haut rendement nécessite l'analyse de grands ensembles de données pour identifier les composants génétiques clés. Les scientifiques de PROMYS visaient à accélérer de manière drastique la construction, l'optimisation et la performance des usines cellulaires grâce à une nouvelle technologie de biologie synthétique. «Nous souhaitions développer une plate-forme qui aidera à identifier les biocatalyseurs les plus performants à haut débit», explique le coordinateur du projet, le professeur Morten Sommer. Surmonter les goulets d'étranglement de la biotechnologie Dans les procédés de fermentation, les usines cellulaires présentent souvent une productivité réduite car la surproduction de la substance chimique cible est soit toxique, soit inutile. En conséquence, les cellules modifiées évoluent à l'écart de l'objectif de production et vers un état de production plus faible et un taux de croissance plus élevé. Pour éliminer ce goulet d'étranglement, PROMYS a créé les «systèmes de sélection réactifs aux ligands», des circuits biomoléculaires robustes avec des modules de détection intégrés qui détectent l'état cellulaire et couplent la sortie aux programmes cellulaires. En substance, une pression de sélection non naturelle est exercée sur la cellule hôte, et les cellules individuelles qui ne remplissent pas les objectifs de production sont détruites. «Ainsi, la population de fermentation peut être maintenue dans l'état de haute productivité souhaité, ce qui permet des rendements de fermentation plus élevés», poursuit le professeur Sommer. Au cours du projet, les chercheurs ont dû aborder des questions scientifiques liées au développement de voies de synthèse, à l'optimisation de la production en usine cellulaire et au contrôle des populations cellulaires durant la fermentation. Pour atteindre ces objectifs, ils ont identifié des biocapteurs spécifiques à base d'ARN et de protéines qui pourraient être déployés en tant que systèmes de sélection sensibles aux ligands pour les métabolites clés. La sélection réagissant au ligand était nouvelle pour PROMYS et a été utilisée à la place des méthodes de criblage analytique standard. «Lier la concentration d'un produit chimique souhaité à la survie des cellules nous a permis de tester rapidement de nombreuses voies de biosynthèse, en court-circuitant les méthodes analytiques qui demandent beaucoup de temps et de main-d'œuvre», poursuit le professeur Sommer. Grâce à des cycles sélectifs d'optimisation biologique dans le cadre de la biologie synthétique, les chercheurs ont réussi à optimiser les processus métaboliques spécifiques dans les cellules modifiées. En même temps, cela leur a permis de créer de nombreuses bibliothèques de cellules dont on a ensuite examiné la fonction enzymatique optimisée, les nouvelles voies de synthèse et l'optimisation de l'usine cellulaire. Applications technologiques En plus des outils et de la méthodologie, le projet a réalisé d'importantes percées scientifiques qui ont permis d'acquérir des connaissances importantes dans le domaine de la biologie synthétique. En intégrant des outils d'avant-projet et des concepts de biologie synthétique, la plateforme PROMYS permet d'identifier les paramètres les plus avantageux grâce à des cycles auto-sélectifs d'optimisation biologique. Dans l'ensemble, il constitue un outil précieux entre les mains des futurs ingénieurs chimistes, leur donnant la possibilité de modifier les voies cellulaires pour les objectifs spécifiques de leur application. Pour des applications biotechnologiques spécifiques, il permet l'ingénierie des usines cellulaires pour les objectifs de production en neutralisant les tendances naturelles des systèmes biologiques. Le projet a été conçu pour inclure des partenaires industriels pour la commercialisation de produits et de technologies. Comme le conclut le professeur Sommer: «les résultats devraient avoir un impact significatif sur diverses applications industrielles dans l'industrie chimique avec un potentiel de revenus de plusieurs millions d'euros, y compris les aliments et les boissons, les cosmétiques et les produits pharmaceutiques».
Mots‑clés
PROMYS, usine cellulaire, biologie synthétique, biotechnologie, biocapteur
