Introduction : Une nouvelle frontière dans la lutte contre les superbes

La résistance aux antimicrobiens (RMA) a été déclarée l'une des dix principales menaces pour la santé publique mondiale par l'Organisation mondiale de la santé. Le pipeline pour les nouveaux antibiotiques s'est asséché depuis des décennies, laissant aux médecins peu d'options contre les pathogènes multirésistants.La biologie synthétique — la refonte délibérée des systèmes biologiques à des fins utiles — offre une approche transformatrice de la découverte des antibiotiques.En appliquant les principes techniques à la génétique, la biologie synthétique permet la création de molécules que la nature n'a jamais évolué, la réactivation de voies biosynthétiques silencieuses et l'optimisation rapide des souches de production.

Qu'est-ce que la biologie synthétique?

Contrairement au génie génétique traditionnel, qui apporte généralement de petites modifications ciblées aux organismes existants, la biologie synthétique vise à construire des pièces, des dispositifs et des systèmes biologiques entièrement nouveaux, ou à reprogrammer les organismes existants de façon théorique et prévisible. Les outils de base comprennent la synthèse de l'ADN (écriture de longs brins d'ADN sur mesure), l'édition du génome du CRISPR, la conception modulaire de circuits génétiques et la modélisation computationnelle des voies métaboliques.Ces outils permettent aux chercheurs de traiter les cellules vivantes comme des usines programmables, capables de produire des molécules complexes, y compris des antibiotiques, qui sont difficiles ou impossibles à obtenir par la synthèse chimique conventionnelle ou l'extraction de produits naturels.

Le champ a connu une maturité rapide depuis le début des années 2000. Le coût de la synthèse de l'ADN a chuté de façon spectaculaire, les fonderies automatisées peuvent tester des milliers de conceptions par semaine, et les algorithmes d'apprentissage automatique peuvent maintenant prédire les structures protéiques et les activités enzymatiques avec une précision remarquable.Ces avancées font de la biologie synthétique un moteur particulièrement puissant pour la découverte des antibiotiques.

La nécessité urgente de nouveaux antibiotiques

La résistance aux antibiotiques n'est pas une menace future — c'est une crise qui se déroule maintenant.Le rapport de l'Organisation mondiale de la santé de 2023 sur la RAM a estimé que la résistance bactérienne avait causé directement 1,27 million de décès dans le monde en 2019, et que le nombre est en hausse. Acinetobacter baumannii, résistant à la méthicilline Staphylococcus aureus (MRSA), et producteur de bêta-lactamase à spectre étendu Escherichia coli ne sont que quelques-uns des agents pathogènes qui défient couramment les médicaments de dernière station.L'OMS a publié une liste des agents pathogènes prioritaires pour lesquels de nouveaux antibiotiques sont absolument nécessaires, mais le pipeline clinique reste mince.

Le problème principal est que les approches traditionnelles de découverte des antibiotiques se sont stabilisées.Les microorganismes vivant dans les sols sont la principale source d'antibiotiques depuis des décennies, mais le fruit --à-baisse a été largement cueilli.Les écrans des bibliothèques de produits naturels produisent de plus en plus de composés connus, tandis que les bibliothèques de produits chimiques synthétiques ne produisent souvent pas de molécules avec le bon mélange de puissance, de sécurité et de propriétés semblables à des médicaments.

La page de résistance aux antimicrobiens de l'OMS offre des données détaillées et des recommandations stratégiques.

Limitations de la découverte traditionnelle

  • Re-découverte de composés connus: Le dépistage traditionnel identifie les mêmes molécules à plusieurs reprises parce que la plupart des microbes cultivables ne produisent qu'une fraction de leur potentiel génétique en laboratoire.
  • Diversité chimique étroite: Les échafaudages de produits naturels ont été largement exploités, et de nombreuses classes chimiques sont maintenant compromises par des mécanismes de résistance généralisés.
  • Coût élevé et faible rendement:[ L'exécution d'écrans de fermentation et de purification à grande échelle est coûteuse et lente, souvent en quelques années.
  • Développement de la résistance:[ Même les nouvelles molécules qui sont structurellement semblables aux médicaments existants peuvent faire face à une résistance croisée, réduisant leur durée de vie clinique.

Biologie synthétique Approches pour le développement des antibiotiques

La biologie synthétique répond à ces limites en permettant une conception rationnelle, une refacturation des voies et une optimisation à haut débit. Plutôt que de s'appuyer sur le dépistage par hasard ou par force brute, les chercheurs peuvent concevoir des organismes pour produire de nouveaux composés, activer des grappes de gènes biosynthétiques -cryptiques et même créer des architectures chimiques entièrement nouvelles.

Ingénierie des voies et activation des grappes cryptographiques

Le séquençage génomique a révélé que ces organismes abritent beaucoup plus de groupements de gènes biosynthétiques (GCB) qu'ils ne l'expriment dans des conditions de laboratoire standard, souvent appelées groupements de gènes =silents= ou =cryptiques=. La biologie synthétique fournit des outils pour éveiller ces groupements en remplaçant les promoteurs indigènes par des groupes puissants et inductibles, ou en refactorant des groupements entiers et en les transplantant dans des organismes hôtes bien caractérisés tels que Escherichia coli ou Streptomyces coelicolor[.

Par exemple, la découverte de teixobactine (un antibiotique actif prometteur sur les parois cellulaires) a impliqué la culture de bactéries du sol auparavant non cultivables, mais la biologie synthétique peut aller plus loin : en synthétisant et en refactorisant les CGC à partir de l'ADN métagénomique, les chercheurs peuvent accéder au potentiel chimique des microbes qui ne peuvent pas être cultivés en laboratoire du tout.

Synthèse génique et conception De Novo des peptides antimicrobiens

Au lieu de s'appuyer sur des modèles naturels, la biologie synthétique peut concevoir de nouvelles molécules antimicrobiennes. Les peptides antimicrobiens (AMP) sont une classe prometteuse : ils sont courts et amphipathiques qui perturbent les membranes bactériennes. Cependant, les AMP naturels ont souvent une faible stabilité, une toxicité pour les cellules de mammifères ou des coûts de production élevés. En utilisant la biologie synthétique, les chercheurs peuvent concevoir des AMP de novo, optimisant les séquences pour la charge, l'hydrophobicité et l'hélicité. Ces séquences peuvent être codées dans des gènes synthétiques et exprimées dans des hôtes de production conçus comme Pichia pastoris[ ou E. coli.

Dans un exemple frappant, les scientifiques du MIT ont utilisé un modèle d'apprentissage profond pour dépister plus de 100 millions de molécules et ont identifié un nouveau candidat aux antibiotiques, l'halicine, qui a montré une activité à large spectre même contre les souches résistantes aux médicaments. Bien que l'halicine soit une petite molécule, la même approche a été appliquée à la découverte de peptides. La combinaison de conceptions inspirées par l'IA et de production synthétique en biologie crée un cycle rapide pour générer des pistes.

Génie hôte pour une production efficace

Même les meilleures molécules d'antibiotiques sont inutiles si elles ne peuvent être fabriquées à une échelle et à un coût raisonnable.De nombreux antibiotiques naturels sont des métabolites secondaires complexes qui ne peuvent pas être synthétisés chimiquement économiquement; la fermentation du producteur indigène est souvent lente et peu rentable. La biologie synthétique s'attaque à cela par des hôtes industriels robustes de génie — typiquement E. coli, Saccharomyces cerevisiae, ou Streptomyces châssis — pour produire le composé désiré en rendement élevé.

L'ingénierie de l'hôte consiste à optimiser l'approvisionnement en précurseurs, à éliminer les voies métaboliques concurrentes et à améliorer la tolérance au produit.Par exemple, la production d'artémisinine (un antipaludique) dans la levure a été une réussite historique, et des stratégies similaires sont maintenant appliquées aux antibiotiques.Les chercheurs ont conçu E. coli pour produire des analogues de l'érythromycine, des précurseurs de vancomycine et même de nouveaux antibiotiques β-lactam en combinant des gènes de différents organismes.

Biologie synthétique sans cellules pour le prototypage rapide

Une approche complémentaire émergente est la biologie synthétique sans cellules, qui utilise des extraits de cellules lysées (ou des enzymes purifiées) pour effectuer des réactions biochimiques à l'extérieur d'un organisme vivant. Les systèmes sans cellules contournent les contraintes de viabilité cellulaire — les intermédiaires toxiques ne tuent pas l'hôte, et l'optimisation de la voie peut être faite en quelques heures plutôt que quelques semaines. Les chercheurs ont utilisé l'expression sans cellules pour tester rapidement les combinaisons d'enzymes biosynthèses, identifier les goulots d'étranglement et produire de petites quantités d'antibiotiques candidats à la sélection.

Principales réussites : La biologie synthétique est un succès

Bien que de nombreux efforts soient encore en cours, plusieurs succès notables démontrent la puissance de l'approche de la biologie synthétique.

  • Analogues de vancomycine engineered: Des chercheurs de l'Université Rockefeller ont utilisé la biologie synthétique pour produire des formes modifiées de vancomycine qui surmontent la résistance.En modifiant l'épine dorsale du peptide et en ajoutant des fractions liant les lipides, ils ont créé des composés à activité puissante contre les entérocoques résistants à la vancomycine (ERV).
  • Malacidines: Ces antibiotiques dépendant du calcium ont été découverts par extraction d'ADN métagénomique à partir d'échantillons de sol. Le groupement génétique biosynthétique a été identifié, synthétisé et exprimé dans un hôte hétérologue, donnant une nouvelle classe d'antibiotiques actifs contre l'ASM et d'autres pathogènes Gram positifs.
  • Streptomyces châssis pour les nouveaux polyketides: Les scientifiques ont conçu une souche -- superhost.Streptomyces qui exprime >30 GCB silencieux dans des conditions contrôlées, conduisant à la découverte de plusieurs nouveaux antibiotiques macrolides. En échangeant des éléments régulateurs et en exprimant des activateurs spécifiques à la voie, ils ont activé des grappes qui n'ont jamais été exprimées dans la souche de type sauvage.
  • De novo a conçu des peptides antimicrobiens: Plusieurs groupes ont utilisé l'apprentissage automatique pour concevoir des peptides à large spectre et à faible cytotoxicité des mammifères. Un de ces peptides, appelé -combi‐1,--, a été synthétisé génétiquement et exprimé en E. coli[ à des rendements de gramme par litre, démontrant une production évolutive.

Une revue exhaustive des antibiotiques dérivés de la biologie synthétique se trouve dans cet article de 2023 Nature, qui traite de l'ingénierie de l'antibiotique noursamycine par la refactoration de la voie.

Défis et considérations éthiques

Malgré sa promesse, la découverte d'antibiotiques par la biologie synthétique est confrontée à des obstacles importants.

  • Les défis techniques : Les CGC peuvent être très grands (>100 kb), difficiles à synthétiser avec précision et nécessitent souvent des modifications post-traductionnelles qui ne sont pas supportées par des hôtes hétérologues communs. La promiscuité enzymatique et la disponibilité des substrats peuvent limiter les rendements.
  • Évolution de la résistance: Même les antibiotiques nouveaux peuvent être surmontés par l'évolution bactérienne en quelques années. Le pipeline de biologie synthétique doit être alimenté en continu avec de nouveaux propulseurs, et les stratégies qui ralentissent la résistance — comme cibler plusieurs sites ou utiliser des combinaisons adjuvantes — doivent être intégrées tôt.
  • Les préoccupations en matière de réglementation et de sécurité :[ Les organismes de production génétiquement modifiés peuvent soulever des problèmes de biosécurité, particulièrement s'ils contiennent des gènes pour les composés toxiques ou s'ils s'échappent dans l'environnement. Des plans stricts de confinement et de destruction des produits sont requis.
  • Filicidité économique:[ Le coût de la mise au point d'un nouvel antibiotique par la biologie synthétique peut être comparable à des méthodes traditionnelles — souvent supérieures à 1 milliard de dollars — et le rendement du marché est incertain.

Les considérations éthiques comprennent également l'accès équitable : si la biologie synthétique permet une production peu coûteuse d'antibiotiques complexes, la distribution ne devrait pas être limitée par des motifs de profit, en particulier dans les pays à revenu faible et intermédiaire où les taux de résistance sont les plus élevés.

Perspectives d'avenir : AI, Automation et Thérapies Personnalisées

L'IA peut prédire quels sont les CGC qui sont les plus susceptibles de produire de nouveaux antibiotiques, de concevoir des variantes d'enzymes avec une activité améliorée, et suggérer des parties de -- (promoteurs, sites de fixation des ribosomes, terminateurs) qui maximisent la sortie de voie. Les fonderies robotiques automatisées peuvent tester des milliers de modèles génétiques par semaine, en alimentant les données pour former des modèles prédictifs. Ce système à boucle fermée pourrait considérablement comprimer le calendrier d'une idée à un candidat clinique.

La biologie synthétique pourrait être utilisée pour produire des bactériophages spécifiques au patient qui produisent des gènes codant des peptides antimicrobiens, ou pour concevoir des probiotiques qui sécrétent des antibiotiques in situ au site de l'infection. Bien que ces approches soient spéculatives, les premiers essais avec des cocktails phages artificiels sont prometteurs contre les infections associées au biofilm.

Une autre frontière est la synthèse de nouvelles classes de molécules qui ne sont pas limitées par les échafaudages naturels. Les scientifiques ont déjà créé des acides -xéno-nucléiques -(XNAs) et -xéno-peptides -- qui ne sont pas reconnus par les mécanismes de résistance existants.

En combinant la conception rationnelle et le vaste espace chimique accessible par les systèmes biologiques, elle offre une voie réaliste pour rester en avance sur la résistance antimicrobienne. Les progrès réalisés au cours des dix dernières années, depuis l'éveil des grappes géniques silencieuses jusqu'à la conception de peptides artificiels, devraient donner à la communauté de la santé mondiale la confiance que de nouveaux antibiotiques sont non seulement possibles mais peuvent être développés systématiquement.

— Cet article a été publié à l'origine dans Fleet Directus. Pour en savoir plus sur l'intersection de la biologie synthétique et de la santé mondiale, visitez le blog Fleet Directus.