Construction et transplantation de génomes semi-synthétiques de Bacillus subtilis, vers le développement de la prochaine génération de châssis bactériens – Bacillus2-0

Nos précédents travaux ont montré que de grandes délétions d'intervalles chromosomiques pouvaient être combinées en se basant sur un répertoire des régions génomiques non essentielles, pour construire de manière rationnelle un châssis dérivé de la bactérie modèle à Gram positif Bacillus subtilis, bactérie largement utilisée dans les biotechnologies. Bacillus 2.0 repose sur des procédures de pointe pour la construction rapide de souches améliorées dérivées de Bacillus, impliquant l’assemblage du génome semi-synthétique dans la levure et son ingénierie avant réintroduction par transplantation de partie ou de l’intégralité du génome synthétique. Les souches semi-synthétiques les plus prometteuses seront caractérisées et feront l’objet d’évolutions dirigées en laboratoire afin d’acquérir un meilleur fitness pour preuve de concept et comme prérequis pour le développement futur de nouvelles souches pour l'industrie, la médecine ou les biotechnologies.

Une première étape a consisté en le clonage de tout ou partie du génome de B. subtilis dans la levure pour démontrer la capacité de la levure à propager un génome de cette espèce. La deuxième étape a consisté en la conception du génome semi-synthétique réduit SynBsu2.0 et en la mise en place d’un pipeline informatique appliquant une série d’algorithmes qui, en prenant en compte l’essentialité, la quasi-essentialité ou la non-essentialité des gènes, ainsi que leur environnement génétique et niveau d’expression, génère in silico les fragments du chromosome à réassembler, ainsi que les amorces chimiques à faire synthétiser. La troisième étape a consisté en l’optimisation des conditions d’assemblage de fragments synthétiques dans la levure pour générer un ensemble d’assemblages d’~100 kb.

La comparaison des génomes de SynBsu2.0 et JCVI-Syn3.0 apportera de nouvelles connaissances sur le répertoire minimal de gènes requis pour maintenir les machineries cellulaires nécessaires à la biosynthèse de la paroi cellulaire, des lipides, des acides aminés, des nucléotides et plus généralement pour l'expression des gènes

1. Deloupy A, Sauveplane V, Robert J, Aymerich S, Jules M$ and Robert L$. 2020. Extrinsic noise prevents the independent tuning of gene expression noise and protein mean abundance in bacteria. Science Advances, 6(41):eabc3478. DOI:10.1126/sciadv.abc3478.
2. Planson AG, Sauveplane V, Dervyn E and Jules M$. 2020. Bacterial growth physiology and RNA metabolism. Biochim Biophys Acta Gene Regulatory Mechanisms, 1863(5):194502. DOI:10.1016/j.bbagrm.2020.194502
3. Vashee S, Arfi Y, Lartigue C$. 2020. Budding yeast as a factory to engineer partial and complete microbial genomes. Current Opinion in Systems Biology, 24:1-8. DOI:10.1016/j.coisb.2020.09.003.

Les circuits génétiques synthétiques peuvent se révéler inefficaces en raison d'interférences indésirables entre les circuits synthétiques et le système hôte. Une stratégie prometteuse pour renforcer l'innovation en biotechnologie repose sur la construction rationnelle de souches châssis. Pour les biotechnologies, la souche châssis recherchée doit (1) inclure le répertoire minimal de gènes requis pour la croissance rapide et la production efficace des protéines d'intérêt, et (2) posséder une enveloppe cellulaire robuste adaptée aux cultures à haute densité et à grande échelle. De précédentes études du J.C. Venter Institute menées sur les cellules synthétiques minimales ont permis de construire JCVI-Syn3.0, une cellule dérivée de mycoplasme contenant un génome de 0,53 Mb et 473 gènes. JCVI-Syn3.0 représente actuellement la meilleure approximation d'une cellule minimale autonome, mais sa croissance exige un milieu de culture complexe et coûteux du fait de l'incapacité des mycoplasmes à synthétiser la paroi cellulaire, les acides aminés, les lipides et les précurseurs d'acides nucléiques. Dans le projet Bacillus 2.0, nous proposons de construire un châssis bactérien semi-synthétique, minimal et modulable pour les biotechnologies, capable de croître dans des milieux de culture basiques et peu coûteux. Nos précédents travaux ont montré que de grandes délétions d’intervals chromosomiques pouvaient être combinées en se basant sur un répertoire des régions génomiques non essentielles, pour construire de manière rationnelle un châssis dérivé de la bactérie modèle à Gram positif Bacillus subtilis, bactérie largement utilisée dans les biotechnologies. Grâce aux nouvelles technologies de design et d’ingénierie de génome, ce projet permettra de développer SynBsu2.0, un châssis minimal dérivé de B. subtilis. Bacillus 2.0 repose sur des procédures de pointe pour la construction rapide de souches améliorées dérivées de Bacillus, impliquant le clonage du génome dans la levure et son ingénierie avant transplantation retour dans des protoplastes de B. subtilis. Les souches transplantées les plus prometteuses seront caractérisées et feront l’objet d’évolutions dirigées en laboratoire afin d’acquérir un meilleur fitness pour preuve de concept et comme prérequis pour le développement futur de nouvelles souches pour l'industrie, la médecine ou les biotechnologies. De plus, la comparaison des génomes de SynBsu2.0 et JCVI-Syn3.0 apportera de nouvelles connaissances sur le répertoire minimal de gènes requis pour maintenir les machineries cellulaires nécessaires à la biosynthèse de la paroi cellulaire, des lipides, des acides aminés, des nucléotides et plus généralement pour l'expression des gènes.