Biologie de synthèse
Biologie repensée pour créer et améliorer les organismes.
Qu’est-ce que la biologie de synthèse ?
La biologie de synthèse est un terme général faisant référence à la manipulation des voies métaboliques pour persuader des microbes de fabriquer des protéines de manière hautement prévisible grâce à l’utilisation de principes d’ingénierie. Les caractéristiques souhaitées sont obtenues parfois par la modification de gènes individuels, parfois par celle de génomes entiers.
La biologie de synthèse est un domaine interdisciplinaire qui associe les principes de la biologie, de l’ingénierie et de l’informatique pour concevoir et construire des pièces, des dispositifs et des systèmes biologiques dotés de nouvelles fonctions ou capacités. Elle est susceptible d’impacter les applications universitaires et industrielles, notamment la création de nouveaux agents thérapeutiques et vaccins, la science des végétaux et les biocarburants. L’accent est souvent mis sur la génération, la caractérisation et l’isolement de parties de systèmes biologiques naturels avant de les utiliser comme composants d’une voie biologique modifiée.
L’application de principes rationnels à la conception et à l’assemblage de ces composants biologiques constitue un signe distinctif de la biologie de synthèse. Même avec une conception rationnelle, l’impact de l’introduction d’ADN étranger dans une cellule peut être difficile à prédire. Il est donc nécessaire de tester plusieurs permutations pour obtenir le résultat souhaité. L’accent mis sur la conception modulaire des parties d’ADN permet l’assemblage d’une plus grande variété de concepts potentiels en interchangeant les composants individuels. L’automatisation du processus d’assemblage réduit la durée, la main-d’œuvre et les coûts liés à la génération de plusieurs concepts, ce qui permet d’augmenter le débit et d’obtenir un cycle de développement global plus court.
Dans ce processus, des fragments d’ADN double brin sont conçus pour faciliter la construction de gènes. Les concepts assemblés sont généralement clonés dans un vecteur d’expression et vérifiés par qPCR ou séquençage de nouvelle génération (NGS) des colonies. Toutefois, dans certains flux de travail haut débit, cette étape de vérification peut être facultative. Les concepts synthétiques sont ensuite analysés dans divers tests fonctionnels. Après avoir tiré les enseignements des résultats de test, les concepts peuvent être modifiés ou affinés. Ce cycle de conception, construction, test et apprentissage est répété jusqu’à l’obtention d’un concept d’ADN qui produit la fonction souhaitée.
L’approche de conception, construction, test et apprentissage (DBTL) pour un flux de travail de clonage moléculaire haut débit
L’approche Concevoir-Construire-Tester-Apprendre (DBTL) utilisée dans l’ingénierie des souches dispose d’un potentiel quasiment illimité pour concevoir et développer de vastes bibliothèques variées de souches biologiques. Elle nécessite souvent des flux de travail de clonage moléculaire haut débit robustes et répétables pour améliorer la productivité des molécules cibles telles que des transcrits de nucléotide, des protéines et des métabolites. Le succès de la biologie de synthèse repose souvent sur la puissance des microbes. Les méthodes traditionnelles de criblage des colonies bactériennes transformées à l’aide d’embouts de pipette stériles, de cure-dents ou d’anses d’inoculation sont très sujettes à l’erreur humaine, laborieuses et fastidieuses, ce qui crée des goulots d’étranglement dans vos flux de travail de clonage moléculaire.
Repensez votre flux de travail manuel de biologie de synthèse avec le système automatisé de sélection de colonies microbiennes QPix
- Étalement : il s’agit de l’étape initiale de la recherche en biologie de synthèse. Les cellules microbiennes ou les concepts génétiques sont étalés sur des plaques d’agar solide pour former des colonies individuelles. Pour optimiser le processus, il est possible d’utiliser des systèmes automatisés tels que des ensemenceurs de colonie robotisés. Ces systèmes utilisent des techniques d’étalement haute densité, permettant l’ensemencement simultané de nombreux échantillons de manière précise et efficace. Cette automatisation fait gagner du temps et réduit le risque d’erreur humaine, ce qui vous permet d’ensemencer un plus grand nombre d’échantillons en moins de temps.
- Criblage : après l’ensemencement, l’étape suivante consiste à cribler les colonies pour identifier celles présentant un intérêt. Cette étape est traditionnellement réalisée manuellement ; vous inspectez visuellement et sélectionnez les colonies en fonction de certaines caractéristiques. Toutefois, pour améliorer le débit, les systèmes de criblage automatisé des colonies sont de plus en plus répandus. Ces systèmes utilisent des algorithmes d’analyse d’images et d’apprentissage automatique (machine learning) pour identifier et catégoriser rapidement les colonies selon des critères prédéfinis. L’automatisation de ce processus permet de cribler rapidement un grand nombre de colonies, pour gagner du temps et réduire la subjectivité.
- Sélection : une fois les colonies d’intérêt identifiées, commence le processus de sélection. Cette étape repose traditionnellement sur des techniques manuelles, comme l’utilisation d’embouts de pipette stériles, de cure-dents ou d’anses d’inoculation. Cependant, l’utilisation de systèmes automatisés de sélection de colonies accroît le débit. Ces systèmes perfectionnés utilisent des bras robotisés avec des pointes ou des aiguilles fines pour transférer rapidement et précisément les colonies sélectionnées dans diverses applications en aval. Les systèmes automatisés de sélection de colonies peuvent traiter un grand nombre d’échantillons par heure, ce qui augmente considérablement le débit et réduit les tâches laborieuses.
- Certains bénéfices du repiquage automatisé des colonies pour la biologie de synthèse:
- Améliore le débit tout en réduisant les opérations manuelles
- Permet un repiquage de colonies objectif et régulier plutôt qu’un repiquage manuel subjectif
- Convient à un grand nombre d’applications différentes
- Le suivi électronique des données permet un contrôle des données bien documenté
- Réplication : étape cruciale dans la recherche en biologie de synthèse, la réplication des colonies sélectionnées permet la préservation et la distribution du matériel génétique pour l’analyse et l’expérimentation ultérieures. La réplication manuelle implique l’inoculation en stries de colonies sur plusieurs plaques, ce qui peut être fastidieux et propice à l’erreur humaine. Utilisez des systèmes automatisés de réplication des colonies pour optimiser ce processus. Ces systèmes utilisent la robotique et des techniques d’étalement haute densité pour répliquer simultanément les colonies sur plusieurs plaques, en veillant à la régularité et l’efficacité.
- Réarrangement : le réarrangement implique le transfert des colonies depuis leurs plaques d’origine vers de nouveaux formats ou récipients pour le stockage à long terme ou des expériences complémentaires. Cette étape est essentielle pour maintenir de vastes collections de ressources génétiques et pour faciliter les flux de travail haut débit. Les systèmes automatisés de réarrangement, tels que les systèmes robotisés de sélection de colonies avec lecteurs de codes-barres et capacités de manipulation de liquides, peuvent transférer avec précision et efficacité les colonies vers différents formats, tels que les microplaques ou les tubes de stockage. En automatisant le réarrangement, vous pouvez obtenir des processus de transfert standardisés et sans erreurs, pour une meilleure organisation et accessibilité des ressources génétiques.
Avantages de la biologie de synthèse
Accélération de la bioproduction
La biologie de synthèse permet le développement et la production rapides de molécules utiles, allant des biocarburants et des produits pharmaceutiques aux produits chimiques spécialisés. En exploitant la puissance de l’ingénierie génétique, vous pouvez concevoir des micro-organismes pour produire efficacement les composés souhaités en grandes quantités. Les principaux avantages comprennent :
- La durabilité et l'impact environnemental
- Les découvertes médicales
- Les applications industrielles
L’ingénierie métabolique, qui associe la modélisation informatique, des outils génétiques perfectionnés et le criblage haut débit, accélère la conception et l’optimisation des voies de signalisation biologiques. Cette approche intégrée vous permet de concevoir des micro-organismes avec une productivité accrue, ce qui ouvre la voie à des découvertes dans le domaine de la bioproduction.
Applications et ressources sur la biologie de synthèse
La biologie de synthèse permet la conception et la construction de systèmes biologiques sur mesure possédant les fonctionnalités souhaitées.