La génomique synthétique a rapidement évolué d'un concept spéculatif à une biotechnologie transformatrice.En concevant et en construisant des génomes entiers à partir de la base, ou en modifiant systématiquement les génomes existants, les scientifiques peuvent maintenant créer des organismes à caractères qui ne se produisent pas dans la nature.Cette capacité n'est pas seulement une curiosité de laboratoire; elle est déployée dans le domaine de l'énergie, de la fabrication, de l'agriculture et de la gestion environnementale pour résoudre des problèmes industriels difficiles.

Contrairement au génie génétique traditionnel, qui déplace une poignée de gènes entre organismes, la génomique synthétique vise à synthétiser et assembler des millions de paires de bases d'ADN en chromosomes fonctionnels. Ces génomes synthétiques sont ensuite transplantés dans des cellules réceptrices, qui sont reprogrammés pour effectuer des tâches allant de la synthèse de produits pharmaceutiques complexes à la destruction de polluants environnementaux persistants.

Fondations de la génomique synthétique

La génomique synthétique se situe à l'intersection de la génétique, de la biologie moléculaire et de l'ingénierie.Le flux de travail commence généralement par la conception computationnelle : les chercheurs utilisent un logiciel de bioinformatique pour spécifier une séquence d'ADN souhaitée, optimiser l'utilisation du codon, les éléments régulateurs et les voies métaboliques.Une fois la conception finalisée, les oligonucléotides courts (typiquement 60 à 200 nucléotides de long) sont synthétisés chimiquement et assemblés en fragments plus grands à l'aide d'une extension de chevauchement PCR ou Gibson.

La réalisation historique de l'Institut J. Craig Venter en 2010 — la création de Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0, la première cellule autoréplicatrice contrôlée par un génome entièrement synthétique — a démontré qu'un génome peut être conçu sur un ordinateur, synthétisé en laboratoire et transplanté dans une cellule à châssis pour générer un organisme viable. Depuis, le champ a progressé au point où des chromosomes de levure synthétique (le projet Sc2.0) et des génomes bactériens minimes ont été construits.

Technologies clés habilitantes

  • Synthèse de l'ADN à haut débit : Les progrès de la synthèse à base de puces et de la production d'ADN enzymatique ont réduit le coût par paire de base par ordre de grandeur.
  • Méthodes d'assemblage:[ L'assemblage Golden Gate, l'assemblage Gibson et la recombinaison homologue de levure permettent aux chercheurs de combiner des dizaines de fragments d'ADN en une seule réaction, accélérant de façon spectaculaire la construction du génome.
  • Édition de gènes: CRISPR-Cas9 et les outils connexes permettent aux chercheurs de tester et d'affiner les dessins synthétiques en effectuant des insertions, des suppressions et des substitutions précises dans les chromosomes natifs ou synthétiques.
  • Les plateformes de conception informatique:[ Les suites logicielles comme Benchling, Geneious et les outils de modélisation métabolique personnalisés aident à prédire le comportement des circuits synthétiques et à optimiser le flux à travers les voies souhaitées.

Applications industrielles des génomes synthétiques

La valeur pratique de la génomique synthétique réside dans sa capacité à refiler des machines cellulaires pour la production, la dégradation et la détection. La biotechnologie industrielle a déjà adopté des organismes génétiquement modifiés pour des tâches telles que la production et la fermentation enzymatiques, mais les génomes synthétiques offrent un bond quantique dans le contrôle et la performance.

Production de biocarburants

La production conventionnelle de biocarburants repose sur la fermentation microbienne des sucres à l'éthanol, mais les rendements sont limités par les goulets d'étranglement métaboliques et la formation de sous-produits. La génomique synthétique permet aux ingénieurs de contourner ces contraintes.Par exemple, des chercheurs de l'Université de Californie, Berkeley, ont conçu des operons synthétiques dans Escherichia coli qui orientent le flux de carbone vers des alcools plus élevés tels que l'isobutanol et le butanol, qui ont des densités d'énergie plus proches de l'essence.

Une réalisation notable est la construction d'un génome minimal synthétique pour un microbe photosynthétique qui alloue une plus grande proportion de ressources cellulaires à la production de lipides. En supprimant les gènes non essentiels et en introduisant des circuits de régulation synthétique, les chercheurs ont obtenu des titres lipidiques économiquement viables à l'échelle. Des entreprises comme LanzaTech et Synthetic Genomics Inc. (maintenant partie de Viridos) ont activement étendu ces approches pour la production commerciale de biocarburants, avec des usines pilotes opérant aux États-Unis et en Chine.

Bioplastiques et matériaux durables

La crise des plastiques a accéléré l'intérêt pour les polymères issus de la biologie qui sont biodégradables ou produits à partir de matières premières renouvelables. Les polyhydroxyalcanoates (PHA) et l'acide polylactique (PLA) sont deux familles de bioplastiques qui peuvent être synthétisés par des microbes. La génomique synthétique permet la conception de voies de biosynthèse de l'ensemble de l'ASP à partir de zéro, y compris les gènes des synthases des polymères, des dépolymérases et des protéines régulatrices.En optimisant l'utilisation du codon et la force de promoteur de ces opérons synthétiques, les chercheurs ont augmenté les rendements de l'ASP à plus de 80% du poids sec cellulaire dans Ralstonia eutropha et [Peudomonas putida[.

Au-delà des PVVIH, la génomique synthétique est utilisée pour produire des protéines de soie d'araignée, des matériaux structurels avec une résistance à la traction et une élasticité extraordinaires. Les gènes codant les spidroïnes de soie synthétique ont été assemblés en chromosomes de levure synthétique et exprimés à des niveaux commercialement pertinents. Le matériau résultant peut être filé en fibres pour les textiles, les sutures médicales et les composites légers.

Remise en état de l ' environnement

La génomique synthétique permet aux chercheurs d'inventer des consortiums microbiens capables de détecter, de séquestrer et de dégrader des contaminants spécifiques. Par exemple, une équipe de l'Institut de technologie du Massachusetts a conçu un génome synthétique pour des Pseudomonas qui comprend une voie complète pour la minéralisation du polyéthylène téréphtalate (PET) – le plastique utilisé dans les bouteilles et les emballages. L'opérone synthétique code les enzymes hydrolase et hydrolase PET ainsi qu'un système de transport qui importe les produits de dégradation dans la cellule pour le métabolisme.

Les génomes synthétiques peuvent incorporer des protéines liant les métaux comme les métallothionéines, combinées avec des gènes de la réductase du mercure, pour absorber et détoxifier le mercure, le cadmium ou le plomb. Des essais sur le terrain effectués avec des [Deinococcus radiodurans ont montré des promesses pour le nettoyage des sites de déchets radioactifs, car cet extrémophile est exceptionnellement résistant aux radiations et peut être équipé de voies synthétiques qui précipitent l'uranium de la solution.

Produits pharmaceutiques et produits chimiques spécialisés

La production de médicaments complexes est un exemple de réussite classique pour la biologie synthétique, et la génomique synthétique repousse maintenant les limites de ce qui peut être fait chez les hôtes microbiens. La drogue antipaludique artémisinine est un exemple bien connu: la levure produite avec des gènes synthétiques de la plante de ver douce produisent de l'acide artémisinique, qui est ensuite transformé chimiquement en médicament actif. Plus récemment, des travaux ont produit des génomes synthétiques pour la levure qui contiennent des voies biosynthétiques complètes pour les opioïdes tels que la baïne et l'hydrocodone, ainsi que des cannabinoïdes et des précurseurs de taxol.

Des produits chimiques spécialisés tels que le propanediol-1,3, l'acide succinique et l'isopréne sont également produits par des microbes synthétiques. En repensant les voies métaboliques centrales de l'hôte, les chercheurs ont augmenté les rendements au-delà du maximum théorique d'organismes de type sauvage. Par exemple, un génome synthétique E. coli contenant un cycle glycolytique non oxydant peut produire de l'acide succinique avec un rendement carbone presque parfait, réduisant significativement le coût par rapport aux voies pétrochimiques.

Avantages de la génomique synthétique par rapport aux approches traditionnelles

Si l'ingénierie métabolique traditionnelle a donné des résultats commerciaux, la génomique synthétique offre des avantages difficiles à obtenir par des modifications progressives. Premièrement, parce que l'ensemble du génome est conçu à partir de zéro, les chercheurs peuvent éliminer toutes les voies redondantes et consommatrices d'énergie qui ne contribuent pas au produit désiré. Cette approche « ardoise propre » peut doubler ou tripler les rendements du produit par rapport aux souches développées ou conçues point par point. Deuxièmement, les génomes synthétiques peuvent intégrer des circuits réglementaires synthétiques qui répondent aux signaux environnementaux – tels que le pH, la température ou la présence d'un inducteur spécifique – permettant un contrôle précis sur le moment et la force de l'expression de la voie du produit.

Un autre avantage clé est la capacité de créer des organismes avec des fonctions qui n'ont aucun précédent naturel. Par exemple, la génomique synthétique a été utilisée pour construire des cellules qui incorporent des acides aminés non naturels dans des protéines, permettant la production de biomatériaux avec des propriétés chimiques nouvelles. Il a également été appliqué pour construire des cellules minimales qui servent de châssis pour la biologie synthétique, fournissant un fond défini exempt d'éléments réglementaires cryptographiques qui pourraient interférer avec les voies aménagées.

Défis et obstacles techniques

Malgré sa promesse, la génomique synthétique est confrontée à des obstacles importants avant de pouvoir être largement adoptée dans l'industrie. La principale barrière est le coût : la synthèse d'un génome de plusieurs millions de paires de bases coûte encore des millions de dollars, et les taux d'erreur dans les longs assemblages d'ADN nécessitent un contrôle de qualité et un séquençage étendus. Bien que les coûts de synthèse de l'ADN diminuent de façon exponentielle, les étapes de correction des erreurs ajoutent du temps et des dépenses.

La plupart des génomes synthétiques ont été testés jusqu'à présent dans Mycoplasma, E. coli[, ou Saccharomyces cerevisiae—organismes modèles bien caractérisés ayant des génomes relativement simples ou traitables.Élargir l'approche aux hôtes industriels pertinents tels que Bacillus subtilis[, Aspergillus niger, ou algues eucaryotes reste un travail en cours.

Considérations éthiques, sécuritaires et réglementaires

La biosécurité est une préoccupation primordiale : un agent pathogène synthétique pourrait être construit avec une virulence accrue ou une transmissibilité accrue. Pour remédier à cette situation, la communauté de biologie synthétique a élaboré des lignes directrices pour le dépistage des séquences d'ADN et l'obtention de l'approbation des comités institutionnels de biosécurité. Le Consortium international de synthèse des gènes (IGSC) examine les commandes de séquences d'intérêt et les vétérinaires clients. Les gouvernements ont également mis à jour les règlements : aux États-Unis, les Lignes directrices pour la recherche impliquant des molécules d'acide nucléique recombinant ou synthétique couvrent de nombreuses activités de génomique synthétique, et le règlement de l'Union européenne sur les aliments nouveaux peut s'appliquer aux produits provenant d'organismes synthétiques destinés à la consommation humaine.

Les chercheurs utilisent plusieurs stratégies de confinement : des conceptions auxotrophes qui nécessitent un nutriment synthétique non trouvé dans la nature, des interrupteurs à tuer qui s'activent en l'absence d'inducteur industriel et un confinement physique dans des bioréacteurs fermés. Un interrupteur à tuer largement étudié implique un circuit génétique synthétique qui produit une toxine à moins qu'un composé spécifique ne soit présent; le retrait de ce composé déclenche la mort cellulaire.

La perception du public et le débat éthique façonnent également la trajectoire de la génomique synthétique.Certaines parties prenantes craignent que la création de formes de vie nouvelles ne soit synonyme de «jouer Dieu» ou que la technologie ne puisse exacerber les inégalités si ses avantages sont inégalement répartis.

Le paysage réglementaire

Aux États-Unis, trois organismes partagent la surveillance de la réglementation de la génomique synthétique : l'EPA (en vertu de la Toxic Substances Control Act for industrial microorganismes), l'USDA (pour les applications agricoles) et la FDA (pour les produits pharmaceutiques et les additifs alimentaires). La nouvelle règle de l'EPA sur les « produits microbiens de biotechnologie », mise à jour en 2023, rationalise l'examen de certains microbes de génie qui répondent aux critères de sécurité.

Si un organisme contient un génome synthétique de > 50 %, devrait-il être traité différemment de celui qui contient quelques insertions transgéniques? L'OCDE travaille sur des définitions harmonisées, mais jusqu'à ce qu'un consensus international émerge, les entreprises peuvent faire face à des exigences incompatibles lors de l'élargissement à l'échelle mondiale.

Perspectives d'avenir et intégration aux technologies émergentes

Les modèles d'apprentissage automatique sont déjà formés à de vastes ensembles de données sur les conceptions de génomes synthétiques et leurs phénotypes qui en résultent. Ces modèles vont éventuellement prédire des architectures génomiques optimales pour un produit donné, réduisant ainsi le besoin d'expérimentations expérimentales et d'erreurs. Des pipelines automatisés qui intègrent la conception, la synthèse, le montage et les essais en un seul système à boucle fermée, souvent appelé «biofonderies», ont été établis dans des institutions comme la Fonderie Génome d'Édimbourg et la fonderie Berkeley Lab. Ils peuvent être utilisés à travers des centaines de variantes de génomes synthétiques par semaine.

Une autre avancée est la biologie synthétique sans cellules, où les génomes synthétiques ne sont pas exprimés à l'intérieur d'une cellule vivante mais dans un extrait sans cellules. Cela élimine de nombreuses préoccupations de biosécurité et de confinement et permet le prototypage rapide des voies métaboliques.

Enfin, la génomique synthétique commence à s'étendre au-delà des bactéries et des levures aux organismes multicellulaires. Bien que la construction d'un génome synthétique pour une plante ou un animal demeure plus complexe, les projets pilotes sur les nématodes et les lignées cellulaires de mammifères offrent des aperçus des possibilités futures.

Conclusion

La génomique synthétique représente un changement de paradigme dans la façon dont nous concevons et construisons des systèmes biologiques. En découplant la conception du génome de l'évolution, elle permet aux ingénieurs industriels d'optimiser les organismes pour des tâches spécifiques avec une précision sans précédent.Les applications vont des carburants plus propres et des plastiques biodégradables aux médicaments de biorestauration et de sauvetage de précision.

Pour plus de détails, voir le document original sur le génome synthétique dans Nature Communications, l'examen de la biologie synthétique industrielle dans les revues critiques en biotechnologie et l'article Science sur le génome bactérien minimal.