Biologie synthétique et ingénierie métabolique microbienne

Microbiologie & immunologie · Master 2

Conception de souches par plasmides, CRISPR et circuits génétiques, avec le cadre suisse (LGG, OUC).

Introduction

La biologie synthétique applique des principes d'ingénierie à la conception de systèmes biologiques : parties génétiques standardisées (promoteurs, sites de liaison au ribosome, terminateurs), assemblage modulaire et cycles conception-construction-test-apprentissage. L'ingénierie métabolique redirige les flux de carbone d'un micro-organisme vers un produit d'intérêt.

Des exemples emblématiques sont la production d'insuline humaine recombinante dans E. coli (Genentech, 1978 ; commercialisation en 1982) et celle de l'acide artémisinique, précurseur de l'antipaludique artémisinine, dans la levure Saccharomyces cerevisiae. CRISPR-Cas9, qui utilise un ARN guide et reconnaît un motif PAM (NGG pour SpCas9), a rendu l'édition de génome rapide et précise.

En Suisse, l'utilisation de micro-organismes génétiquement modifiés en milieu confiné est régie par l'ordonnance sur l'utilisation confinée (OUC) et la loi sur le génie génétique (LGG).

Objectifs d'apprentissage

Décrire les composants d'un circuit génétique
Expliquer le principe de CRISPR-Cas9
Illustrer l'ingénierie métabolique par un exemple
Situer le cadre suisse de la biosécurité (LGG, OUC)

Concepts clés

Parties génétiques et assemblage: Promoteur, RBS, séquence codante, terminateur ; l'assemblage Golden Gate utilise des enzymes de restriction de type IIS pour ligaturer plusieurs fragments en une réaction.
CRISPR-Cas9: Cas9 est guidée par un ARN guide vers une séquence cible adjacente à un motif PAM, et crée une cassure double brin réparée par NHEJ (insertions-délétions) ou HDR (modifications précises).
Ingénierie métabolique: Surexpression de gènes de la voie, délétion des voies concurrentes, équilibrage des cofacteurs, limitation du fardeau métabolique.

Conclusion

La biologie synthétique fournit des outils modulaires et des méthodes d'édition précise qui accélèrent la conception de micro-organismes de production. L'ingénierie métabolique reste une discipline d'équilibrage entre production, croissance et robustesse.

Le cadre légal suisse, centré sur la classification des risques et le confinement, garantit que ces développements restent compatibles avec la protection de la santé et de l'environnement.

Cartes

Qu'est-ce qu'un plasmide d'expression ?: Un ADN circulaire autonome portant origine de réplication, marqueur de sélection et cassette d'expression.
Que reconnaît SpCas9 pour couper ?: Une séquence complémentaire à l'ARN guide, adjacente à un motif PAM NGG.
Réparation NHEJ ?: Jonction d'extrémités non homologues, souvent source de petites insertions-délétions et de perte de fonction.
Réparation HDR ?: Réparation dirigée par homologie, utilisant un ADN donneur pour introduire une modification précise.
Principe du cycle DBTL ?: Design, Build, Test, Learn : cycle itératif de développement de souches.
Exemple d'ingénierie métabolique en levure ?: Production d'acide artémisinique, précurseur de l'artémisinine, par transfert de gènes de la voie dans S. cerevisiae.
Quand l'insuline recombinante a-t-elle été commercialisée ?: En 1982, produite dans E. coli (Humulin, Genentech et Eli Lilly).
Qu'est-ce que le fardeau métabolique ?: La charge imposée à la cellule par l'expression hétérologue, qui réduit croissance et rendement.
Quelles lois suisses encadrent les OGM en milieu confiné ?: La loi sur le génie génétique (LGG, RS 814.91) et l'ordonnance sur l'utilisation confinée (OUC, RS 814.912).

Glossaire

Biologie synthétique: Ingénierie de systèmes biologiques à partir de parties standardisées.
Promoteur: Séquence d'ADN où se fixe l'ARN polymérase.
ARN guide: ARN dirigeant Cas9 vers sa cible.
PAM: Court motif adjacent à la cible, requis par Cas9.
Auxotrophie: Incapacité de synthétiser un métabolite essentiel, utilisée pour le confinement ou la sélection.
Ingénierie métabolique: Optimisation des voies métaboliques d'un micro-organisme.