Le projet BIOSYNTH vise à développer une nouvelle plateforme de microchips (micropuces) permettant une biosynthèse sans cellules, efficace et contrôlable numériquement.
Le consortium est dirigé par l’Institut Fraunhofer pour les microsystèmes photoniques (IPMS) et collabore avec l’Institut de toxicologie et de médecine expérimentale (ITEM) ainsi que l’Institut de thérapie cellulaire et d’immunologie (IZI-BB) sur des technologies destinées à des applications futures comme le stockage massif de données à très haute densité ou le dépistage de polluants en toxicologie humaine.
Qu’est-ce que la biologie synthétique ?
La biologie synthétique est un domaine de recherche visant à concevoir, répliquer ou modifier des systèmes biologiques en laboratoire. Cela se fait en développant des composants standardisés pouvant être assemblés avec précision en nouvelles unités. L’ADN synthétique peut être utilisé pour stocker et compresser des données binaires. B
Bien que l’écriture de l’ADN sur des microchips représente un défi majeur, elle offre également une opportunité considérable. Les informations peuvent être stockées à haute densité sur des microchips en arrangeant spécifiquement les paires de bases de manière tridimensionnelle et contrôlable numériquement.
De plus, le consortium explore d’autres applications de la biologie synthétique, dont la détection de pathogènes dans les eaux usées, y compris des approches sensorielles.
Quelle est la contribution de BIOSYNTH au processus ?
Le projet BIOSYNTH vise à améliorer les performances actuelles de la synthèse microbiologique en regroupant l’expertise de trois instituts Fraunhofer. En utilisant la technologie moderne des microsystèmes, une plateforme universelle de microchips est en cours de recherche pour l’écriture d’ADN, d’ARN et de peptides. Les méthodes de synthèse précédentes, telles que le «spotting», sont inefficaces, notamment pour générer de longs segments d’ADN, et tendent à être inexactes, les corrections étant à la fois longues et coûteuses. De plus, les équipements existants sont volumineux et associés à des coûts élevés.
Dr. Uwe Vogel, chef de consortium du Fraunhofer IPMS, explique : «Le projet BIOSYNTH entend explorer les bases techniques et biologiques des microsystèmes pour une synthèse microbiologique avancée à haut débit dans des microchips hautement intégrés avec des composants thermiques, photoniques et fluidiques, en abordant à la fois le stockage de données biologiques de masse à très haute densité et la résistance au vieillissement, ainsi que des applications en biologie, biochimie ou écologie appliquée.»
Les chercheurs développent une plateforme basée sur les techniques de fabrication de microchips conventionnelles pour écrire des séquences de nucléotides définies par logiciel (ADN, ARN ou peptides). Cette plateforme permet la mise en œuvre du stockage de données biologiques de masse pour des processus hautement parallèles et à haut débit, comme les processus de production en volume de l’industrie microélectronique.
Conçue et fabriquée en utilisant des méthodes de microélectronique, la plateforme intègre des cellules de réaction miniaturisées au niveau micrométrique, ayant des volumes de réaction dans la gamme des picolitres, pour une synthèse sans cellules dans une matrice active programmable librement.
Des composants thermiques et photoniques spéciaux, ainsi que la fonctionnalisation des surfaces de chaque cellule de réaction, permettent le transport, l’immobilisation, l’activation et la surveillance des conditions et des résultats des processus.
Quelles sont les applications ?
En plus du stockage massif de données, d’autres applications de la biologie synthétique existent. Par exemple, Fraunhofer ITEM travaille sur des méthodes de codage dans des composants biologiques. Celles-ci incluent des codes correcteurs d’erreurs et des méthodes de compression. Cela permet même d’encoder des images avec une faible hétérogénéité de pixels dans l’ADN en brisant les bases répétitives avec un masque aléatoire et en stockant les données dans des plasmides.
Le stockage d’images dans l’ADN et la possibilité de récupération sans erreur sont étudiés expérimentalement, et un schéma de codage a été développé permettant la compression et évitant les décalages d’images causés par des erreurs.
Le Prof. Christoph Schäfers, directeur de l’Institut Fraunhofer de biologie moléculaire et d’écologie appliquée (IME), explique une autre application de la biologie synthétique : «Le dépistage de la toxicologie humaine utilisant la biologie synthétique emploie des systèmes biologiques créés artificiellement pour tester les effets des substances sur le corps humain. Cette méthode permet de détecter et d’analyser les effets potentiellement nocifs à un stade précoce.»
Légende illustration : L’ADN, l’ARN et les PEPTIDES comme supports de stockage du futur – projet BIOSYNTH. Crédit : © Fraunhofer IPMS
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