Une nouvelle méthode développée par un groupe de chercheurs de l'Institut Carl R. Woese de biologie génomique (IGB) de l'Université de l'Illinois pourrait changer la façon dont l'ingénierie métabolique est effectuée.

Des chercheurs du thème de recherche Biosystems Design de l'IGB, dont Steven L. Miller Chaire de génie chimique et biomoléculaire Huimin Zhao, a récemment publié un article dans Communication Nature décrivant leur nouvelle méthode, ce qui pourrait rendre le processus d'ingénierie métabolique plus efficace.

L'ingénierie métabolique implique l'ingénierie de micro-organismes pour produire des produits à valeur ajoutée tels que des biocarburants et des produits chimiques. Ceci est réalisé en changeant ou en supprimant l'expression des gènes pour modifier le génome du micro-organisme. Dans ce processus, plusieurs cibles du génome sont modifiées afin d'atteindre des objectifs spécifiques.

« Nous pouvons facilement trouver plusieurs cibles d'ingénierie métabolique pour améliorer le phénotype souhaité, " dit Jiazhang Lian, un associé de recherche invité à l'IGB qui est co-auteur de l'article. "Comment combiner ces modifications génétiques bénéfiques est l'un des plus grands défis de l'ingénierie métabolique."

Traditionnellement, les chercheurs testent ces cibles individuellement dans une série d'étapes chronophages. Ces étapes limitent la productivité et le rendement du produit final, deux éléments cruciaux du processus d'ingénierie métabolique.

Les chercheurs ont décidé de créer une méthode qui combine toutes ces étapes et les exécute simultanément, rendre le processus plus rapide et plus facile.

Ils ont basé cette méthode sur le système CRISPR, une méthode de manipulation génétique qui utilise un ensemble de séquences d'ADN pour modifier les gènes dans une cellule.

Ce système utilise trois manipulations génétiques fréquemment utilisées en ingénierie métabolique :l'activation transcriptionnelle, interférence transcriptionnelle, et la délétion du gène.

En utilisant ces manipulations simultanément, les scientifiques peuvent explorer différentes combinaisons de manipulations et découvrir quelle combinaison est la meilleure.

"Nous pouvons maintenant travailler avec 20 cibles, " a déclaré Zhao. " Nous pouvons mettre en œuvre toutes ces (manipulations) pour chaque cible de manière combinatoire pour découvrir quelle combinaison nous donnera réellement une productivité ou un rendement plus élevé du produit final. "

Les chercheurs ont testé la méthode sur une espèce de levure utilisée en vinification, pâtisserie, et la production de biocarburants. Ils ont montré que l'utilisation de cette méthode pouvait améliorer la production d'un produit spécifique.

Leur système, appelé CRISPR-AID, permettra aux chercheurs d'explorer facilement toutes les combinaisons de cibles possibles. Mais la clé est de trouver la combinaison optimale.

"Si nous comparons l'ingénierie métabolique à une équipe de basket-ball, nous ne pouvons pas construire une équipe forte en réunissant simplement les meilleurs joueurs, " dit Lian. " Au lieu de cela, nous devrions essayer de trouver ceux qui peuvent collaborer et travailler en synergie."

Leur nouveau système ouvre des milliers, voire des millions, de possibilités, ce qui présente un autre défi logistique.

Ils prévoient de trouver les meilleures combinaisons en développant une méthode de criblage à haut débit ou en utilisant un système robotique tel que l'iBioFAB, un système situé dans l'IGB qui produit automatiquement des biosystèmes synthétiques.

"Je pense que la combinaison de CRISPR-AID avec un criblage à haut débit et iBioFAB fera considérablement progresser le domaine de l'ingénierie métabolique dans un proche avenir, " dit Liane.

Zhao espère tester leur méthode sur d'autres organismes, en utilisant les mêmes principes d'ingénierie mais en modifiant le protocole pour différents organismes.

Finalement, ils espèrent s'étendre à l'échelle du génome – pouvoir tester tous les gènes d'un organisme à la fois – ce qui constituerait un saut considérable dans le domaine de l'ingénierie métabolique.

« Si nous pouvons le faire, nous pouvons le rendre vraiment modularisé et standardiser également la procédure, " a déclaré Zhao. "Ensuite, nous augmentons vraiment le débit et la vitesse de l'ingénierie métabolique."

Plusieurs efforts de recherche visent à concevoir des micro-organismes pour la production de biocarburants et de produits chimiques, donc tous les outils qui peuvent accélérer le processus sont importants. Zhao pense que cela est vrai pour leur méthode.

"Ce n'est pas seulement une amélioration progressive, " Il a dit. "C'est une nouvelle façon de faire de l'ingénierie métabolique."