Ingénierie robuste et évolution dirigée de voies metaboliques synthétiques par intégration de la microfluidique et de la génomique – SYNPATHIC

Un des principaux objectifs de la Biologie Synthétique est de créer de nouvelles fonctions ou de modifier des fonctions existantes au sein d’un système biologique. Dans le cadre de la Biotechnologie Blanche, un objectif clair est d'enrichir le répertoire métabolique d'une cellule microbienne par introduction de systèmes métaboliques qui lui permet la production de « synthons chimiques » à partir de ressources de carbone renouvelable, comme alternative à la voie pétrochimique. Ainsi, la construction d’un processus biosynthétique pour la production de synthons chimiques requiert trois grandes étapes : (i) la construction de la voie métabolique, (ii) l’ingénierie et optimisation du processus au sein de ‘l’usine cellulaire’ et (iii) le développement d’un procédé de fermentation adapté aux contraintes industrielles. Le partenaire 1 de ce consortium a récemment innové dans la construction d’une voie synthétique qui mène à la production de 2,4 dihydroxybutyrate (DHB) et de 1,3 propanediol (PDO) à partir de malate, ce dernier formé à partir de glucose par voies classiques. Parmi les 8 étapes que comprend cette voie, 5 sont catalysées par des enzymes non-naturelles et trois d'entre elles présentent une activité catalytique et spécificité envers leur substrat largement insuffisant pour rendre le système productif. De plus, la voie synthétique est exprimée dans la cellule via l’utilisation de plasmides. Outre que cette approche ne soit pas concevable pour des applications industrielles du fait de l’instabilité de ces plasmides et de la surcharge ‘métabolique’ qui en résulte et qui pénalise la croissance, elle lève des questions fondamentales à propos de la manière dont ces opérons synthétiques peuvent être insérer dans le génome de la cellule hôte pour devenir un composant à part entière de sa physiologie, et satisfaire du même coup la nouvelle fonction « non-naturelle » demandée.
Le propos du projet SYNPATHIC est de fournir des solutions à ces deux goulots d'étranglement, permettant des avances majeures dans le domaine de la Biologie Synthétique par (i) l’optimisation de l'efficacité catalytique d’étapes individuelles de la voie synthétique, (ii) l’optimisation du flux global au sein de cette voie métabolique, et (iii) l'adaptation simultanée de l'usine cellulaire à ce nouvel objectif 'non,-naturel'. L’optimisation des voies synthétiques de production de DHB et de PDO à partir du glucose seront prises en exemple pour illustrer ces solutions. Le premier défi scientifique et technique sera abordé par l’emploi de systèmes innovants de criblage à très haut débit pour l’évolution dirigée des ‘enzymes limitantes’ des voies synthétiques utilisant le technologie microfluidique basée sur la gouttelette. Cette technologie inventée par le partenaire 2 emploie des gouttelettes aqueuses mono disperses dans une phase lipidique continue en tant que microréacteurs bio-compatibles isolés pour permettre des tests biologiques à ultra haut débit. Ainsi, cellules /mutations de gènes peuvent être criblés à une cadence 1,000-fois plus grande et dans un volume 1 million de fois (et donc coût) plus faible que par des criblages en microplaques. Le second goulot d'étranglement, lié à l'instabilité des opérons synthétiques portés par des plasmides et la dégénération consécutive du système métabolique, sera abordé par l'intégration intelligente au génome du module synthétique. Cette intégration sera guidée par un logiciel conçu par le partenaire 3 pour le « génome design »’ et qui est basé sur une interdépendance triple de l’organisation de génome, la conformation de 3-D d'ADN et la co-régulation de gènes fonctionnant dans des voies métaboliques communes. Finalement, l'optimisation du processus pourrait tirer parti de l’intégration génomique pour évaluer la variabilité de la production des synthons au sein de la population microbienne pour sélectionner par microfluidique les producteurs les plus efficaces