Des usines cellulaires microbiennes pour des processus de production plus durables
L’humanité a pris l’habitude de produire les composés chimiques dont elle a besoin à partir de combustibles fossiles, avec les conséquences que nous connaissons en termes de consommation élevée d’énergie, d’émissions de CO2 et de déchets toxiques déversés dans la nature. Et s’il était possible de produire nos acides aminés, nos colorants alimentaires ou nos monomères plastiques avec des micro-organismes? Après tout, les combustibles fossiles n’ont-ils pas des origines microbiennes eux aussi? Depuis des années, la biotechnologie industrielle tente d’utiliser les micro-organismes ou leurs enzymes pour convertir des sucres en nombreux composés fournis par l’industrie chimique, mais en recourant à un processus plus durable. Mais pour ce faire, les chercheurs doivent dans un premier temps déterminer quels micro-organismes produisent quels composés et dans quelle mesure. «L’idée consiste à concevoir des micro-organismes et à les “forcer” à canaliser leur énergie dans la production de produits chimiques au lieu de cibler la croissance et la réplication. Mais souvent, nous ignorons comment maximiser la formation de produits dans les micro-organismes donnés. Pour contourner ce problème, nous devons créer des centaines, voire des milliers, de variantes du même micro-organisme et les caractériser individuellement. Cela demande de gros investissements en termes d’argent, de main-d’œuvre et de temps», déclare Jan Marienhagen, responsable du département des usines cellulaires synthétiques, au Centre de recherche Jülich en Allemagne. Pour surmonter ces problèmes, Jan Marienhagen a lancé en mai 2015 le projet CUSTOM-SENSE (Custom-made biosensors – Accelerating the transition to a bio-based economy), qui est financé par le Conseil européen de la recherche (CER). «Nous avons deux objectifs centraux», explique-t-il. «Le premier consiste à découvrir si nous sommes en mesure de concevoir et de construire des biocapteurs destinés à examiner une cellule unique, afin de mieux comprendre la quantité qu’elle produit. Le second consiste à proposer une solution capable d’évaluer la capacité de production de millions de cellules de manière très rapide, sans devoir les cultiver.»
Biocapteurs et traceurs
Concrètement, le projet CUSTOM-SENSE travaille sur une série de biocapteurs pouvant détecter des produits chimiques intéressants directement dans les cellules uniques. Chaque capteur balaie pour trouver un certain composé et, une fois qu’il l’a trouvé, il force le micro-organisme à émettre de la fluorescence lorsqu’il produit ce composé. Plus un micro-organisme produit de composés, plus il devient fluorescent. Bien sûr, analyser une cellule à la fois serait impossible, c’est pourquoi Jan Marienhagen et son équipe combinent leur approche de biocapteur avec des machines appelées analyseurs-trieurs de cellules par fluorescence (FACS). «Nous pouvons observer jusqu’à 80 000 cellules par seconde. Avec une telle “puissance de balayage”, l’idée de produire des milliers, voire des millions, de variantes de cellules et de voir comment chaque changement affecte la formation du produit ne relève plus du rêve. C’est la réalité. Cela signifie non seulement de puissantes souches de production, mais également davantage d’informations sur le métabolisme microbien», remarque-t-il. L’équipe du projet a déjà développé plusieurs biocapteurs pour des acides aminés et des composés aromatiques d’intérêt biotechnologique et les a combinés au dispositif FACS pour mener d’importantes campagnes de balayage. Même si le projet ne prendra fin qu’en avril 2021, quelques découvertes suscitent déjà beaucoup d’intérêt. «Nous pouvons notamment “affiner” la spécificité d’un biocapteur, ce qui signifie que nous pourrions supprimer une spécificité sans altérer la réponse à un autre métabolite d’intérêt. Cette démarche n’avait jamais abouti auparavant et a récemment été publiée dans la prestigieuse revue Nature Communications. Entre-temps, nous avons créé une “famille de biocapteurs” complète pour des composés aromatiques très différents. Tous ces biocapteurs peuvent être combinés avec un FACS et utilisés directement», ajoute Jan Marienhagen. Au cours des prochains mois, l’équipe entend continuer à travailler sur des algorithmes informatiques afin d’examiner les changements dans 100 variantes de souches différentes améliorées avec les biocapteurs du projet. Une telle étude devrait contribuer à améliorer la compréhension du métabolisme microbien, et finalement mener à davantage d’applications industrielles pour les micro-organismes, ce qui, à son tour, mènerait à un secteur industriel européen plus vert.
Mots‑clés
CUSTOM-SENSE, produits chimiques, industrie, micro-organismes, biocapteurs
