modélisation pour la biologie de synthèse -...

Modélisation pour laBiologie de Synthèse

François KEPES

institut de Biologie des Systèmes et de Synthèse (iSSB) Genopole, Univ. Evry, CNRS

Centre for Synthetic Biology and Innovation

Imperial College London

Académie des Technologies

Questions

A/ Quézaco Biologie de Synthèse ?1.  Où nous mèneront les formes avancées de la biotechnologie ?

2.  Quels sont ses moteurs actuels ?

3.  Quels artefacts sont produits ?

4.  Une ingénierie de la biologie ?

5.  Au fait, pourquoi en parler ?

B/ Complexifier ou simplifier ? Le cas du Répressilateur

Rêvons un peu du jour où les innovations en sciences du vivant seront créées dans des laboratoires virtuels en 3-D.

1. Où nous mèneront les formes avancées de la biotechnologie ?

- Usage des 3 sens- Façonnage de :•  Biomolécules•  Circuits biochimiques- Participatif / client- Collaboratif / intelligence collective

1. Où nous mèneront les formes avancées de la biotechnologie ?

2. Quels sont ses moteurs actuels ?

Toute révolution (ou forte évolution) industrielle implique de permettre à de nombreux ingénieurs de s'emparer de capacités qui étaient jusque là réservées à une poignée d'experts. Cela demande d'outiller ces ingénieurs. Au tour de la biotechnologie maintenant. Cela s'appelle actuellement "biologie de synthèse".

Les principes de design du Vivant

Biologie des Systèmes

Biologie de Synthèse

Exploration Exploitation

Analytique Synthétique


SynBio

Systèmes orthogonaux

Artefacts basés sur des

biobriques

Cellule ou Génome minimal

3. Quels artefacts sont produits ?

Cellulaire :OGM

Acellulaire :Protocellules,

Pavages

Acellulaire :Protocellules,

Pavages

Self%assembly+of+a+nanoscale+DNA+box+

with+a+controllable+lid+

Nature+(2009)++459,+73%76+

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2QN[OGT

0CVWTG�4GXKGYU�^�)GPGVKEUFigure 4 | Drug delivery. Interactive biohybrid material based on the interaction of

a repressor protein with its cognate DNA operator motif. Homodimeric tetracycline

repressor (TetR) is converted into a single-chain repressor (scTetR) by connecting two

TetR subunits through a flexible peptide linker, and it is tagged with six histidines

(scTetR–His6). This molecule is coupled to a polymer and is mixed with a polyacrylamide

that has copies of a tetracycline operator (tetO) attached to it. scTetR binds to tetO so

crosslinks are formed, making a hydrogel. When tetracycline is added, scTetR releases

tetO, and the gel is dissolved. This can be used to release another molecule that was

attached to the polymer — in this case, the cytokine interleukin 4 (IL-4).

SOS DNA repairGenetically encoded repair program protecting against DNA damage. In prokaryotes, the repair program is coordinated by LexA and RecA.

Persister cellsDormant individual cells within a bacterial population that show a high tolerance to antimicrobials.

Novel treatments for infectionsBreaking bacterial resistance by designer phages. Biofilms are surface-associated bacterial communi-ties that are encased in a hydrated extracellular poly-meric substance (EPS) matrix that is composed of polysaccharides, proteins, nucleic acids and lipids. They are crucial to the pathogenesis of many clinically important bacteria and exhibit resistance both to the immune system and to antimicrobial treatments, mak-ing them difficult to eradicate118,119. Collins and col-leagues120 successfully engineered bacteriophage T7 to

constitutively express DspB: an enzyme that hydrolyses β-1,6-N-acetyl-d-glucosamine, which is an adhesin that is required for biofilm formation and integrity in Staphylococcus spp. and Escherichia coli clinical iso-lates. The initial infection of a bacterial biofilm with this bacteriophage (known as T7DspB) results in rapid multiplication of the phage and expression of DspB. Following lysis, T7DspB and DspB are released into the biofilm, which leads to re-infection and degradation of β-1,6-N-acetyl-d-glucosamine. During the process of T7DspB infection, bacterial biofilm cell counts are reduced by 99.997% — over two orders of magnitude greater than when a non-enzymatic phage is used120.

In a follow-up study, bacteriophage M13 was engi-neered to express LexA3, which suppresses the SOS DNA repair system that bacteria require to counteract antibiotic-induced oxidative stress121–123. Infection by this designer phage sensitizes E. coli to quinolone anti-biotics. Use of this phage increases the survival of mice that are infected with E. coli, decreases the survival of antibiotic-resistant bacteria, persister cells and biofilm cells and reduces the number of antibiotic-resistant bac-teria that arise from an antibiotic-treated population. It also acts as a strong adjuvant for other bactericidal antibiotics124. The designer phage platform can be used to produce other antibiotic adjuvants124.

Although it was once abandoned after the intro-duction of antibiotics, phage therapy is currently being revisited in several clinical trials around the world as the prevalence of multidrug-resistant pathogens is dramati-cally increasing. Although phage therapy may face clini-cal challenges associated with development of bacterial phage resistance, phage neutralization by the immune system and pharmacokinetics, the field will certainly receive an impetus from designer phages125.

Engineered probiotic bacteria decrease pathogen virulence. Bacteria can communicate with each other using a chemical language known as quorum sensing. Individual bacteria produce and secrete signalling mol-ecules (called autoinducers) that are common to mul-tiple species or are species-specific. These molecules accumulate as the population grows and can bind to receptors that coordinate colony-wide gene expression or manipulate the behaviour of other bacterial popu-lations. For example, Vibrio cholerae produces cholera autoinducer 1 (CAI-1) and autoinducer 2 (AI-2), which trigger repression of key virulence factors. Feeding infant mice with a probiotic E. coli that naturally pro-duces AI-2 and has been engineered to constitutively synthesize CAI-1 significantly increased the animals’ survival rate after ingesting V. cholerae126. This suggests that such an approach could be an economic strategy to prevent infectious diseases. Unlike antibiotics, quorum-sensing-based interventions do not kill pathogens but reprogram their behaviour; this strategy may be free of selection pressure and therefore may be less prone to develop resistance. In another study, commensal bacteria were equipped with synthetic circuitry to stimulate glucose-dependent insulin production in intestinal epithelial cells127.

REVIEWS

NATURE REVIEWS | GENETICS VOLUME 13 | JANUARY 2012 | 27

© 2011 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved


•  Organisme; Châssis; Nanomachine

SYSTÈMES

•  Circuit régulatoire (< 6 composants)•  Circuit métabolique (< 15 composants)

DISPOSITIFS

•  Protéine•  Repli protéique (2003)•  ARN

BIO-BRIQUES (104 composants)

RI

Cellulaire :OGM


4. Une ingénierie de la biologie ?

Normalisation

Ré-utilisation

Découplage entre conception et fabrication

Orthogonalité et modularité

Hiérarchie

4. Une ingénierie de la biologie ?

La spirale améliorative en biologie de synthèse répète le cycle montré ici

jusqu'à satisfaction du cahier des charges initial.

5. Au fait, pourquoi en parler ?

Pas (encore) une nouvelle disciplineDomaine émergent

Large socle conceptuel et méthodologique=> haut potentiel.

La fin du XIXeme Siècle a vu le développement de technologies qui furent la basede la création de richesses par de nouvelles industries, par ex. la chimie de synthèse.

On pourrait citer l’informatique pour la seconde moitié du XXeme Siècle,la nano-technoscience pour la fin du XXeme Siècle.

Applications en Biotechnologies rouges, vertes, et blanches

SynBio

5. Au fait, pourquoi en parler ?

Disciplines contributives :•  biologie•  ingénierie•  modélisation mathématique

Complexifier ou simplifier ?Le cas du Répressilateur

Les paramètres incluent :•  Concentrations en répresseurs•  Taux de synthèse protéique•  Taux de dégradation protéique•  Taux de dégradation des ARNm

Les résultats possibles incluent :•  Homéostasie•  Oscillation en cycle limite

Pour favoriser les oscillations :•  Forts promoteurs de synthèse d'ARNm•  Forts promoteurs de synthèse protéique•  Faible fuite de synthèse d'ARNm•  Répression cooperative•  Taux similaires de dégradations pour protéine et ARNm



Pour favoriser les oscillations :•  Forts promoteurs de synthèse d'ARNm•  Faible fuite de synthèse d'ARNm

Altération des composants naturels :•  Promoteurs hybrides forts mais pouvant être réprimés de manière étanche(Lambda PL combiné à TetR ou LacI)

Comportement bruité, variable :

•  pour l'éviter, ajouter des boucles de rétroaction


Merci !

and Synthetic Biologyi n s t i t u t e o f S y s t e m s

iSSB

mSSB iGEM

Public général en français :•  Académie des Technologies : Biotechs blanches et BioSynth 2015 •  Biofutur : dossier janvier 2013•  Pour la Science : juin 2014•  Petite Pomme du Savoir (Le Pommier, 2011).

Quelques textes �francophones disponibles

http://www.biologie-de-synthese.fr

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