La biologie de synthèse, ou biologie synthétique, peut se définir comme les principes de l’ingénierie appliqués à la modification génétique d’organismes. C’est une discipline récente, à la frontière de la biologie, de la chimie, de l’informatique et des sciences de l’ingénieur. Elle vise à concevoir des systèmes biologiques complexes dotés de fonctions parfois totalement absentes de la nature. Cela passe par la construction de nouveaux composants biologiques, notamment des segments d’ADN fonctionnels. L’objectif, d’un point de vue fondamental, est de mieux comprendre les mécanismes du vivant et, en termes d’application, de créer de nouvelles fonctions utiles dans les domaines de la biotechnologie, de la médecine, de l’alimentation ou de l’agriculture. Aujourd’hui, les biologistes cherchent à intégrer l’automatisation, la robotique et les techniques à haut débit dans les laboratoires afin d’atteindre la vitesse et l’efficacité nécessaires à des applications à grande échelle. Ces laboratoires robotisés sont appelés biofonderies.
Les auteurs
Tom Zaplana, doctorant au Genoscope - UMR Génomique métabolique (CEA, CNRS, Université d'Evry Paris-Saclay); Véronique Le Boulc'h, responsable communication scientifique du Genopole ; Julien Picot, directeur délégué adjoint aux infrastructures et plateformes du Genopole ; Andrew Tolonen, chercheur CEA au Genoscope - UMR Génomique métabolique.
En combinant la puissance de design et de décision de la bio-informatique actuelle et des flux de travail expérimentaux optimisés et rationalisés, les chercheurs accélèrent les découvertes scientifiques et favorisent les innovations biotechnologiques. Les développements s’orientent par exemple vers des biocapteurs microbiens pour la détection de molécules cibles ou toxines, vers des tests diagnostiques innovants ou encore des bactéries capables de dépolluer, mais surtout vers de nouveaux procédés industriels de production de composés d’intérêt (carburants, matériaux, médicaments, arômes, protéines alternatives…), par voie biologique, en utilisant des ressources renouvelables comme matières premières.
1. Les bases technologiques de la biologie de synthèse
L’universalité du code génétique démontrée dans les années 1960 à 1970 permettait d’imaginer la possibilité de transférer des voies métaboliques d’un organisme à un autre en lui apportant les gènes codant la synthèse d’enzymes qui catalysent les réactions successives. En effet, les unités génétiques que sont les gènes, construites sur un modèle commun, peuvent être lues par les machineries cellulaires d’organismes différents. L’information est traduite par la production de protéines aux rôles divers (composants de structure, communication cellulaire, transport…), dont les enzymes, catalyseurs naturels de toutes les réactions chimiques nécessaires au fonctionnement du vivant et molécules clés de la biologie de synthèse.
Il faut attendre les années 2000 pour voir ces concepts se concrétiser et la biologie de synthèse émerger. Elle représente à ce moment-là un bouleversement scientifique et technologique. Les progrès en fiabilité et en rapidité réalisés dans le séquençage et la synthèse d’ADN et la baisse du coût qui les accompagne constituent le socle technologique de la biologie de synthèse. En 2002, le séquençage d’ADN coûtait 4 millions de dollars par million de bases nucléiques. Vingt ans plus tard, ce coût est tombé à environ 0,006 dollar par million de bases. Identifier les gènes portant des fonctions utiles, synthétiser les séquences d’ADN et les assembler pour construire une fonction nouvelle est devenu possible.
Les progrès de la bio-informatique posent le deuxième pilier de la biologie de synthèse. Explorer la biodiversité bactérienne, largement inconnue encore aujourd’hui, afin de trouver de nouvelles fonctions enzymatiques nécessite l’analyse à grande échelle des génomes, impossible sans des méthodes computationnelles et algorithmiques dédiées à la génomique. De plus, la conception de voies de synthèse s’appuie sur la modélisation et la simulation informatiques et sur le deep learning.
Le développement continu des technologies d’ingénierie génétique, troisième assise de la biologie de synthèse, élargit son champ d’application aux bactéries, levures, algues et plantes. Par exemple, des scientifiques ont réussi à apporter aux chloroplastes (organites dotés d’un génome propre, réalisant la photosynthèse dans les cellules végétales) de lentilles d’eau un système génétique autonome sous forme d’un minichromosome portant une vingtaine de gènes. Ce dernier se réplique et génère un niveau de production d’un composé d’intérêt cinq à dix fois plus élevé qu’avec une insertion des gènes dans le génome. Les lentilles d’eau deviennent ainsi des usines biologiques utilisant comme seules ressources la lumière solaire et l’eau, tout en consommant du CO2.
2. Optimiser les systèmes biologiques conçus avec le cycle Design-Build-Test-Learn (DBTL)
Dans le cadre de la conception de nouveaux systèmes biologiques, il est indispensable d’appliquer un cadre d’ingénierie standardisé au génie génétique pour apporter rapidité et reproductibilité au processus. Un élément clé de la démarche est la mise en œuvre d’une procédure itérative dite DBTL, pour Design-Build-Test-Learn (fig. 1). Essentiel en biologie synthétique, le cycle DBTL englobe les étapes de conception des systèmes biologiques, de construction, d’analyse et d’apprentissage. Chaque itération s’appuie sur les connaissances acquises lors de la précédente.
Florent Robert La boucle d’opérations DBTL conduit à une accélération notable de la recherche et de la découverte biotechnologiques. Elle permet d’optimiser les systèmes conçus, et de mieux en comprendre les principes pour développer des applications de biologie synthétique plus sophistiquées et plus efficaces. Elle comporte quatre étapes :
- Design. La première phase consiste à conceptualiser le système biologique souhaité et le protocole expérimental. Les chercheurs et les ingénieurs utilisent des outils bio-informatiques et des connaissances préalables pour concevoir des séquences d’ADN, des circuits génétiques (association de séquences d’ADN codant une fonction – les gènes – et de séquences promotrices et régulatrices nécessaires à l’expression de ces gènes) ou des voies biologiques complètes qui coderont les fonctions souhaitées. Les implications éthiques et les mesures de sécurité sont prises en compte pendant la phase de conception.
- Build. Les chercheurs procèdent ensuite à la construction physique des séquences d’ADN. Cela implique souvent des techniques telles que la synthèse de l’ADN, le clonage génétique pour multiplier les séquences conçues et l’édition du génome pour introduire l’ADN modifié dans des organismes hôtes, dits « châssis », tels que les bactéries, les levures, les algues…
- Test. Une fois le système biologique construit et intégré dans l’organisme hôte, celui-ci est soumis à des tests expérimentaux. Des quantifications par chimie analytique ou bien l’expression de protéines fluorescentes révèlent les rendements de production des molécules d’intérêt. Les données collectées sont utilisées pour évaluer les performances du système synthétique au sein de l’organisme.
- Learn. Au cours de la phase d’apprentissage, les données recueillies lors des expériences sont analysées et comparées aux résultats escomptés. Les chercheurs identifient les succès, les limites et les axes d’amélioration. Ces connaissances sont utilisées pour affiner le design et apporter les ajustements nécessaires au système biologique pour l’itération suivante.
3. L’automatisation des procédés : vers la création de biofonderies
Pour passer d’une biologie de synthèse expérimentale au développement de procédés industrialisables, il faut pouvoir accélérer la réalisation des cycles DBTL. C’est le rôle des biofonderies. Ces plateformes technologiques de pointe appliquent des principes d’ingénierie et d’automatisation à la biologie synthétique. Infrastructures centralisées pour la conception, la construction et le prototypage à haut débit de systèmes biologiques, ces dernières représentent une avancée technologique majeure. Elles offrent une multitude d’avantages, comme l’expérimentation à grande échelle, la normalisation des procédures et la reproductibilité des résultats, ainsi qu’un prototypage rapide des constructions biologiques. Dans la pratique, cette approche a des retombées concrètes.
Ainsi, les biofonderies optimisent les systèmes de production biologique conçus par biologie de synthèse. Cela inclut l’amélioration du taux de production des protéines ciblées, le perfectionnement de voies métaboliques pour la création de molécules à haute valeur ajoutée et le développement de souches industrielles de micro-organismes plus performantes. Plus globalement, elles ont cinq points forts :
- L’expérimentation à haut débit. La biologie à haut débit désigne une approche utilisant des technologies automatisées et des méthodes robotisées pour générer de grandes quantités de données biologiques. La finalité d’une biofonderie est d’atteindre le plus haut débit de production et de traitement de ces données. Chaque étape du cycle DBTL est réalisée de manière optimale. Lors du développement d’un procédé de bioproduction d’un composé d’intérêt, cela permet d’explorer et de cribler un vaste champ de possibilités de souches et de constructions génétiques.
- Le prototypage et les itérations rapides. Une biofonderie enchaîne les cycles DBTL à haute fréquence. Elle construit et teste donc rapidement les systèmes biologiques conçus. Ainsi, les intervalles entre deux cycles DBTL sont réduits, ce qui est primordial pour accélérer la mise au point des prototypes.
- La normalisation et la reproductibilité. Les biofonderies établissent des flux de travail et des protocoles normalisés pour le génie biologique, ce qui garantit la cohérence et la reproductibilité des procédures expérimentales. Cela minimise la variabilité entre les expériences et permet aux chercheurs de comparer et de reproduire les résultats plus efficacement. La normalisation facilite aussi la collaboration et le partage des ressources et des connaissances entre les collaborateurs.
- L’analyse. Les biofonderies utilisent des techniques d’analyse et de modélisation informatiques pour interpréter les grands ensembles de données générés par les expériences. En intégrant ces données aux modèles bio-informatiques, les chercheurs peuvent mieux comprendre les systèmes biologiques complexes, prédire leur comportement et optimiser les plans d’expérience. Cette approche « data driven » renforce l’efficacité de la R&D.
- L’accélération du développement technologique. Les biofonderies jouent un rôle crucial dans le développement technologique en biologie synthétique. En fournissant une installation centralisée dotée d’équipements et d’expertises de pointe, elles favorisent des avancées méthodologiques et technologiques qui profitent à l’ensemble de la communauté scientifique.
4. Passer à l’échelle industrielle
Florent Robert Les résultats obtenus sur les souches de micro-organismes dans de faibles volumes de culture dans des conditions dites de laboratoire, c’est-à-dire avec des modalités opératoires et des matières premières « idéales », doivent progressivement être portés à des échelles supérieures. Il s’agit de passer à des bioréacteurs (ou « fermenteurs ») ayant des capacités volumétriques de plus en plus grandes pour tester le comportement des souches issues du cycle DBTL sélectionnées lors de la fermentation de précision au laboratoire. Cette montée en échelle progressive, également nommée upstream process ou scale-up (fig. 2), permet de retenir, étape après étape, les meilleures combinaisons entre les souches, les recettes de milieux et les conditions de culture.
Cette phase sert également à tester la faisabilité de l’industrialisation du procédé, car à chaque accroissement de volume de bioréacteur, des phénomènes physiques, chimiques ou biologiques peuvent passer d’un impact négligeable sur le rendement du produit d’intérêt à un effet rédhibitoire.
Les étapes suivantes, dites downstream process (DSP) (fig. 3), vont consister à extraire le produit d’intérêt, le concentrer, le purifier et le stabiliser pour le conditionner. Il existe de très nombreux procédés DSP qui diffèrent en fonction de la nature du produit (biocarburant, protéine, pigment, arôme…).
Florent Robert 5. Preuve de concept : l’ingénierie de la bactérie L. phytofermentans pour la production de butanol à partir de biomasse lignocellulosique
La biologie synthétique offre des opportunités innovantes dans le domaine de la valorisation des déchets agricoles en vue de la production de biocarburant durable. Dans cette perspective, l’un des organismes ciblés est Lachnoclostridium phytofermentans, une bactérie anaérobie présente dans le sol, dotée de la capacité rare de dégrader les fibres végétales.
L’histoire des biocarburants remonte à une époque antérieure à l’utilisation généralisée de l’essence dérivée du pétrole fossile. Dès l’invention du moteur à combustion interne, l’éthanol, obtenu par la fermentation de sucre par des micro-organismes, a été envisagé comme carburant. Les États-Unis en sont le plus grand producteur au monde, avec 57,5 milliards de litres d’éthanol par an. Malgré la prédominance de l’éthanol, le butanol émerge comme un alcool prometteur en raison de ses propriétés physico-chimiques supérieures. Contrairement au bioéthanol, il peut être utilisé pur dans les moteurs, sans modification. Il est aussi plus énergétique. Cependant, les défis liés à la rentabilité de sa production biologique entravent sa compétitivité par rapport à l’industrie chimique.
Une solution réside dans l’application de la biologie synthétique à la bactérie L. phytofermentans. En combinant les avantages du butanol avec les avancées de la biologie synthétique, cette approche offre une nouvelle perspective pour optimiser la production de biocarburant de manière économiquement viable et écologiquement responsable.
Pour parvenir à un tel résultat, il a d’abord fallu passer par l’étape de la conception (Design) du cycle DBTL. Des choix cruciaux doivent être faits sur la voie de synthèse du butanol (fig. 4). Cela inclut la détermination des enzymes, des séquences d’ADN qui les codent, des éléments régulateurs, ainsi que leur mode de clonage et le mode d’expression, en particulier l’intégration des séquences au génome bactérien ou dans un ADN circulaire indépendant (plasmide). Le métabolisme de L. phytofermentans a été modélisé pour identifier les réactions enzymatiques naturelles susceptibles d’interférer avec la nouvelle voie envisagée. Une compréhension approfondie du métabolisme est effectivement indispensable, notamment en vue de la modification éventuelle du châssis, par l’inactivation de certains gènes naturels, visant à optimiser la production de butanol.
Une fois le projet conceptualisé, sa concrétisation (Build) s’opère par la synthèse de l’ADN et son assemblage à l’aide de techniques de biologie moléculaire telles que Golden Gate et Gibson Assembly. Dans ce cas précis, nous avons utilisé la méthode d’assemblage d’ADN Golden Gate, qui utilise des enzymes de restriction et coupe l’ADN en des points précis, les fragments étant ensuite liés entre eux grâce à une enzyme ligase. La méthode Gibson Assembly est une technique sans enzyme de restriction. Elle repose sur l’action d’une exonucléase, une enzyme qui dégrade l’ADN et rend accessibles les extrémités à une ligase, laquelle réalise une fusion des fragments d’ADN. Dans le cadre d’un tel projet d’ingénierie métabolique, il est fréquent de construire et d’explorer des milliers de combinaisons de séquences enzymatiques et régulatrices de l’activité de ces gènes. En combinant la puissance de production d’une biofonderie avec le nombre considérable de combinaisons d’ADN envisageables, la recherche de la voie de synthèse optimale devient réalisable. L’intégration de cet ADN exogène dans la bactérie s’effectue ensuite par la technique d’électroporation, qui consiste à appliquer un choc électrique créant des pores dans la membrane de la cellule hôte.
Florent Robert Une fois les souches dotées des nouvelles voies de synthèse, elles sont mises en culture et testées pour quantifier le butanol et sélectionner les meilleures productrices. Cette opération s’effectue au moyen d’une technique de chimie analytique telle que la chromatographie liquide à haute performance (HPLC). L’étape de quantification génère un ensemble volumineux de données qui enrichit notre compréhension du système biologique en cours de création. À partir des concentrations de butanol obtenues par HPLC, des analyses approfondies déterminent quels paramètres génétiques, conditions de culture ou gènes inactivés favorisent la meilleure production de butanol (Learn). Ces informations serviront de base pour lancer un nouveau cycle DBTL, auquel des ajustements successifs seront apportés. À travers ces itérations, la production de butanol chez L. phytofermentans sera progressivement optimisée.
6. Perspectives
Il y a vingt ans, les communautés scientifique, industrielle et institutionnelle s’interrogeaient sur la biologie de synthèse, alors naissante : nouvelle discipline ou prolongation de disciplines existantes ? Science ou technologie ? Toutes s’accordaient cependant sur la promesse d’un large champ d’applications, dans presque tous les domaines : molécules thérapeutiques et vaccins, médicaments produits dans notre organisme et délivrés périodiquement en associant au gène d’intérêt une horloge génétique, biocarburants et plastiques produits par des micro-organismes n’utilisant que des ressources carbonées, colorants, arômes, adjuvants et autres ingrédients produits par des bactéries, des levures, des algues, des plantes… En 2012, l’Office parlementaire d’évaluation des choix scientifiques et technologiques pointait d’ailleurs les « applications potentielles considérables de ce domaine émergent […] oscillant entre recherche fondamentale et applications, entre biologie moléculaire, biologie systémique et modélisation ».
Aujourd’hui, la biologie de synthèse entre dans l’ère industrielle grâce aux progrès conjugués des technologies biomoléculaires, du numérique, de l’IA et de l’automatisation des procédés. Les biofonderies traduisent ce tournant. La Commission européenne a classé, le 3 octobre dernier, les biotechnologies et la biologie de synthèse dans les technologies clés à protéger, avec l’IA, le quantique et les semi-conducteurs, afin de renforcer la sécurité économique dans un contexte de compétition internationale croissante. La France, disposant d’un tissu de laboratoires académiques et de biotechs, est bien positionnée pour développer une filière de l’ingénierie du vivant. Paris a été choisi il y a deux ans pour accueillir l’exposition universelle de biologie synthétique iGEM, née au MIT il y a vingt ans.
Pour parvenir à une structuration et une coordination des biofonderies académiques à l’échelle mondiale, une Alliance globale des biofonderies (https://www.biofoundries.org) a été créée en 2019. L’objectif est de partager des expériences et des ressources et d’œuvrer collectivement à surmonter les défis pour répondre aux besoins scientifiques et techniques. Citons par exemple le développement de technologies analytiques plus rapides et leur utilisation en parallèle afin de s’affranchir des goulets d’étranglement actuels dans les biofonderies. Citons également l’utilisation non pas de micro-organismes châssis uniques, mais de consortiums de micro-organismes qui permettraient la co-construction de complexes moléculaires utiles ou l’optimisation des procédés grâce aux interactions bactériennes.
Outre son intérêt écologique et son potentiel économique et industriel, la biologie de synthèse, en utilisant les propriétés illimitées du vivant, ouvre la voie, par exemple, à des molécules que ni la nature, ni la chimie ne sauraient fabriquer. La nouvelle ère industrielle qui se met en place sera probablement marquée par une forte montée en puissance de ces procédés issus des sciences et technologies du vivant. Libérés de la dépendance à la pétrochimie, les bioprocédés pourront à terme s’inclure dans des circuits d’économie circulaire.
