Exploiter l'activité ARN hélicase à des fins de (ribo)régulation synthétique – HELISWITCH

La biologie synthétique (SynBio) a pour but l’ingénierie rationnelle de nouvelles fonctions ou systèmes biologiques et leurs applications dans l’industrie, l’agriculture, l’environnement, la défense ou la médecine. C’est un segment de la bioéconomie en pleine expansion avec une part de marché mondiale déjà évaluée à plusieurs milliards d'euros.

Diverse applications en SynBio nécessitent des dispositifs biologiques pouvant être facilement reprogrammés pour détecter de nouvelles molécules d’intérêt (biomarqueurs, polluants, etc.) et convertir leur détection en signal observable (expression d’un rapporteur fluorescent, motilité cellulaire, etc.). Cependant, malgré les progrès récents, les dispositifs de détection capables d’être facilement adaptés à de nouveaux ligands font cruellement défaut, ce qui entrave le développement de nombreuses applications prometteuses.

Le projet HELISWITCH vise à apporter des solutions innovantes à ce problème majeur en SynBio. Nous offrirons une nouvelle classe de dispositifs programmables, inductibles par des ligands, qui exploitent les fonctions biochimiques et biologiques des hélicases. Ces enzymes sont impliqués dans tous les processus cellulaires liés aux acides nucléiques, y compris les étapes de l'expression génique. Par exemple, l'hélicase bactérienne Rho met fin à la transcription de gènes au niveau de sites spécifiques, tandis que l'hélicase eucaryote Upf1 induit la dégradation des ARNm en fonction de leur traduction. Rho et Upf1 possèdent une activité de moteur moléculaire ATP-dépendant qui peut également être exploitée avantageusement pour générer des signaux Synbio pertinents in vitro. Enfin, des hélicases comme Upf1 utilisent aussi bien l’ADN que l’ARN comme substrats, ce qui offre une grande flexibilité et une large gamme d’utilisations SynBio potentielles.

En utilisant Rho et Upf1 comme enzymes modèles, nous montrerons que les propriétés des hélicases constituent un avantage décisif pour améliorer la programmation de la réponse à de nouveaux ligands. Notre travail repose sur une nouvelle technologie innovante permettant la création de commutateurs moléculaires ligand- et hélicase-dépendants (heliswitches) que nous avons déjà validée pour générer un système rapporteur inductible par la sérotonine. Nous affinerons et adapterons cette technologie pour générer rapidement et automatiquement de nouveaux heliswitches. Notamment, nous développerons des procédures automatisées pour créer des heliswitches ‘ON’ ou ‘OFF’, dépendants de Rho ou Upf1, ou constitués d’ARN ou d’ADN. Ainsi, à partir de trois ligands modèles (sérotonine, kynurénine, cortisol) d’intérêt pharmacologique, nous créerons une collection de systèmes rapporteurs fonctionnant in vitro ou in vivo, chez les procaryotes ou eucaryotes, composés d’ARN ou d’ADN et reposant sur différents mécanismes, illustrant ainsi la grande évolutivité de notre technologie et sa fiabilité.

Enfin, nous démontrerons les avantages des heliswitches au travers plusieurs preuves de concept représentant des applications SynBio potentielles in vitro, in vivo ou avec des échantillons cliniques. Nous combinerons nos héliswitches sérotonine-dépendants à un rapporteur fluorescent pour cribler des banques de mutants de la tryptophane décarboxylase à la recherche d'enzymes capables de convertir rapidement un substrat (5-Hydroxytryptophane) en sérotonine. Nous développerons également des biocapteurs basés sur une activité hélicase in vitro (dissociation de duplexes ADN ou régulation génique dans des extraits cellulaires) et utiliserons ces derniers pour mesurer le niveau de cortisol (un marqueur pertinent de la dépression et du risque suicidaire) dans des échantillons cliniques de patients psychiatriques.

HELISWITCH offrira des outils précieux pour programmer la réponse cellulaire ou créer les technologies de biodétection utiles pour le diagnostic médical et d’autres applications de terrain.