La biologie de synthèse est une discipline ayant pour but de concevoir des organismes appliquant des fonctions définies par l’Homme [1,2,3]. Elle combine biologie et principes d’ingénieries. La biologie de synthèse se repose sur une approche rationnelle et contrôlée.

Les applications de la biologie de synthèse concernent aussi bien la santé que l’environnement, l’énergie ou les matériaux [2,4].

Dans le cadre de la biologie de synthèse, un organisme est considéré comme une machine. Une machine, qu’elle soit biologique ou non, est un assemblage de composants ayant des fonctions précises.

Les composants biologiques sont des séquences d’ADN (de tailles différentes) possédant une fonction [1]. Par exemple, un gène code généralement pour une protéine et ce codage est délimité par un promoteur et un terminateur.

Le but de la biologie de synthèse est de modifier une machine biologique comme un micro-organisme (bactérie, levure). La modification d’une machine biologique se fait par l’ajout ou le retrait rationnel de composants biologiques, attribuant ainsi de nouvelles fonctions à l’organisme. La modification d’une machine comme un ordinateur peut être utilisé comme analogie car l’ajout de composés (Disque SSD, deuxième écran, RAM) peuvent le rendre plus performant et acquérir de nouvelles fonctions.

La différence majeure entre biologie de synthèse et ingénierie mécanique/électronique est que chaque composant d’un organisme est généralement mal connu et peu prévisible [1,3]. Cela revient à concevoir une voiture sans savoir à l’avance comment fonctionne un moteur.

L’identification et la caractérisation des composants biologiques sont donc indispensable avant de pouvoir modifier rationnellement un organisme.

Figure 1. Vue d’ensemble simplifiée de la Biologie de synthèse.

Pour comprendre leurs fonctions et leurs comportements, les composants biologiques peuvent être isolés du génome de différents organismes (figure 1).

Ensuite, les composants isolés sont caractérisés, listés et enregistrés dans une base de données afin d’être utilisés pour la conception de circuits génétiques (figure 1).

La base de données de la compétition de biologie de synthèse “iGEM” (international Genetically Engineered Machine) en est un très bon exemple.

Les composants du catalogue peuvent apporter des fonctionnalités bien précises à l’organisme dans lequel ils sont implémentés [3]. Par exemple, un composant biologique peut rendre un circuit génétique contrôlable par la lumière.

Cette manière de fonctionner est reprise de la vie de tous les jours. Une personne souhaitant créer son propre ordinateur à partir de composants informatiques devra au préalable définir les fonctions que l’ordinateur devra supporter.

Qu’est ce qu’un circuit génétique?

Un circuit génétique est un assemblage logique de composants biologiques. Un circuit génétique, comme un circuit électronique, produit un signal sortant en réponse à un signal entrant. Le signal sortant est ce que l’on appelle une fonction biologique [1]. Par exemple, la photosynthèse est une fonction biologique qui permet la conversion de la lumière du soleil en sucres et oxygène [5] (figure 2). Les plantes utilisent la photosynthèse pour leurs croissances. Les gènes du circuit génétique de la photosynthèse sont soumis à des stimulations externes comme la lumière et l’oxygène (les signaux entrants). En réponse à ces stimulations, les gènes sont utilisés pour synthétiser les protéines impliquées dans le processus de photosynthèse (le signal sortant) [5] (figure 2).

En Biologie de synthèse, des logiciels sont conçus et utilisent les bases de données de composants biologiques. Le but étant de concevoir par informatique des circuits optimisés et compatible avec l’ensemble de ce qui compose un organisme.

C’est dans l’utilisation de l’informatique que l’essence de la biologie de synthèse réside [1,6,7,8]. L’application de méthodes rationnelles par informatique pour la conception de circuit génétique amènent un nouveau champ des possibles. L’optimisation par prédiction informatique des circuits est réalisée à partir des données recueillies des études fonctionnelles accomplies en laboratoire [6,7,8]. La prédiction des circuits par informatique améliore l’efficacité de conception et réduit le temps de conception.

Tous ces nouveaux circuits génétiques créent par l’homme seront intégrés dans des organismes nommés châssis. Un châssis sert d’hôte d’accueil pour héberger physiquement des circuits génétiques. Il fournit les ressources nécessaires pour le fonctionnement des circuits intégrés (figure 2). Les plantes et les micro-organismes sont des châssis potentiels [9].

Figure 2. Comparaison fonctionnelle entre l’électronique et le biologique.

A partir de l’association d’un circuit génétique et d’un châssis, de nombreux projets de biologie de synthèse sont développés pour répondre à des besoins de société. La biologie de synthèse impacte fortement quatre grands domaines : La bio-énergie, la santé/médecine, l’agro-alimentaire et le développement durable [1,2,4] (figure 3).

Il existe divers exemples qui permettent d’illustrer les applications possible de la biologie de synthèse en société :

Matière plastique biodégradable et biosourcée : la start-up Lactips fabrique un plastique entièrement biodégradable à base de lait.

Détecteur biologique de la pollution (biosenseur): Projet iGEM IONIS 2016 – Quantifly.

Optimisation des organismes impliqués dans les procédés de fermentation : fromages, etc.

Production de molécules bioactives servant dans la formulation de médicaments.

Figure 3. Les 4 domaines impactés fortement par la biologie de synthèse.

Ce qu’il faut retenir, c’est que l’ingénierie de fonctions biologiques implique bien plus que de couper/coller des séquences d’ADN (plus ou moins caractérisées) dans un génome.

Il faut absolument comprendre comment ces interactions se réalisent entre ces séquences d’ADN et le châssis pour pouvoir intégrer la complexité des fonctions biologiques dans des applications industrielles [1].

En conclusion, la biologie de synthèse est une discipline qui permet la conception de circuits génétiques de manière logique et intégrée. Elle ne prend pas uniquement en compte les éléments génétiques en brut mais comprends aussi comment ces éléments interagissent dans les fonctions biologiques.

La biologie de synthèse offre des perspectives d’avenir à fort potentiel pour les sciences du vivant et les technologies qui en découlent. Néanmoins, la biologie de synthèse est une science qui questionne constamment la bioéthique et qui a ses limites.

Tous ces aspects de la biologie de synthèse seront décrits dans d’autres rubriques de l’Association Française de Biologie de Synthèse.

J’ai vraiment hâte de pouvoir partager avec vous, chers lecteurs, ces futurs chroniques scientifiques.

Victor PLET, chargé de mission vulgarisation scientifique.

Références :

[1] : de Lorenzo, V., & Danchin, A. (2008). Synthetic biology: discovering new worlds and new words. EMBO reports, 9(9), 822‑827. https://doi.org/10.1038/embor.2008.159

[2] : La biologie de synthèse et Genopole – Ses origines, ses applications, ses promesses, les entreprises et les laboratoires du bioparc dans ce domaine et le congrès international ICSynth2010 (2010) https://www.genopole.fr/IMG/pdf/101207_biologie_synthese_DP.pdf

[3] : Federici, F., Rudge, T. J., Pollak, B., Haseloff, J., & Gutiérrez, R. A. (2013). Synthetic Biology: opportunities for Chilean bioindustry and education. Biological Research, 46(4), 383‑393. https://doi.org/10.4067/s0716-97602013000400010

[4] : François KEPES. (2018, avril 3). L’ABC de la biologie de synthèse. Consulté à l’adresse https://lejournal.cnrs.fr/billets/labc-de-la-biologie-de-synthese

[5] : Bauer, C. E., & Bird, T. H. (1996). Regulatory Circuits Controlling Photosynthesis Gene Expression. Cell, 85(1), 5‑8. https://doi.org/10.1016/s0092-8674(00)81074-0

[6] : Ng, C. Y., Khodayari, A., Chowdhury, A., & Maranas, C. D. (2015). Advances in de novo strain design using integrated systems and synthetic biology tools. Current Opinion in Chemical Biology, 28, 105‑114. https://doi.org/10.1016/j.cbpa.2015.06.026

[7] : Xiang, Y., Dalchau, N., & Wang, B. (2018). Scaling up genetic circuit design for cellular computing: advances and prospects. Natural Computing, 17(4), 833‑853. https://doi.org/10.1007/s11047-018-9715-9

[8] : Nielsen, A. A. K., Der, B. S., Shin, J., Vaidyanathan, P., Paralanov, V., Strychalski, E. A., … Voigt, C. A. (2016). Genetic circuit design automation. Science, 352(6281), aac7341. https://doi.org/10.1126/science.aac7341

[9] : Chi, H., Wang, X., Shao, Y., Qin, Y., Deng, Z., Wang, L., & Chen, S. (2019). Engineering and modification of microbial chassis for systems and synthetic biology. Synthetic and Systems Biotechnology, 4(1), 25‑33. https://doi.org/10.1016/j.synbio.2018.12.001