L’optogénétique bouleverse la fabrication de biocarburants grâce à cette technique

Une nouvelle technique d’ingénierie optogénétique ouvre la voie à une production accélérée de médicaments et de biocarburants

En éclairant des cellules équipées de protéines photosensibles spécifiques avec la bonne longueur d’onde lumineuse, les scientifiques peuvent activer et désactiver des processus cellulaires et ainsi stimuler la production de composés chimiques utiles pour les médicaments, les biocarburants, etc.

Cependant, la conception et l’optimisation de ces systèmes optogénétiques (identification de la bonne composition génétique et des bons motifs de stimulation lumineuse sur les cultures cellulaires) sont assez fastidieuses, nécessitant de nombreux cycles de conception-construction-test.

Une technique réduit considérablement le temps d’optimisation

Des chercheurs en génie biomédical de l’Université du Wisconsin-Madison ont décrit un procédé pour accélérer ce flux de travail, développant une nouvelle technique permettant de tester à haut débit les systèmes optogénétiques.

Zack Harmer, doctorant en biologie cellulaire et moléculaire, et Megan McClean, professeure agrégée de génie biomédical, ont détaillé leurs travaux dans un article publié en juillet 2023 dans la revue ACS Synthetic Biology.

« L’un des avantages de travailler avec des cultures cellulaires et, dans notre cas, des microbes, est que l’on peut tester beaucoup de conditions différentes, beaucoup de souches différentes« , explique Megan McClean, dont le laboratoire étudie le traitement biologique des signaux. « Et il existe des flux de travail et des équipements pour cela, mais cela n’a jamais été intégré à la lumière pour pouvoir utiliser l’optogénétique. Zack l’a donc mis dans un système avec lequel de nombreux laboratoires sont à l’aise, ce qui le rend un peu plus plug-and-play. »

Automatisation du test de centaines de conditions en parallèle

Zack Harmer a intégré une boîte à outils pour assembler rapidement des circuits optogénétiques avec des dispositifs pour éclairer, agiter et lire des mesures optiques, utilisant un bras robotisé pour déplacer une microplaque à 96 puits entre les trois stations selon un calendrier automatisé.

Megan McClean indique que ce système réduit le temps d’optimisation d’environ quatre mois à deux semaines.

Être capable de faire cela à grande échelle nous permet de tester beaucoup de conditions différentes pour optimiser plus rapidement et à moindre coût différentes stratégies de bioproduction », explique Harmer, qui travaille sur une paire d’articles complémentaires pour aider à encourager l’adoption de la méthode. « Alors que la plupart des autres méthodes expérimentales peuvent tester huit à 12 conditions dans des cinétiques en parallèle, avec la mienne, je suis désormais capable d’en tester des centaines à la fois.« 

Vers le contrôle de multiples systèmes en parallèle

Le chercheur prévoit d’explorer les possibilités de travailler avec d’autres organismes modèles au-delà de la levure Saccharomyces cerevisiae. Lui et McClean sont également particulièrement enthousiastes à l’idée de découvrir des tactiques pour activer différentes protéines – de courtes impulsions pour en déclencher une ; plus longues pour une autre, par exemple – ce qui leur permettrait de contrôler plusieurs systèmes de manière indépendante à la fois.

« Il n’y a que peu de longueurs d’onde lumineuses auxquelles les protéines réagissent facilement« , explique t-il. « Et Zack peut réaliser des expériences à haut débit suffisamment pour dire : ‘Ce système est sensible à de courtes impulsions lumineuses et celui-ci à de longues’, et nous pourrions donc contrôler deux systèmes optogénétiques différents. Donc, au lieu de peut-être ne pouvoir contrôler que quelques choses avec la lumière, cela étend vraiment notre boîte à outils. Pour les applications d’ingénierie, c’est important.« 

En synthèse

Cette nouvelle technique d’ingénierie optogénétique à haut débit développée par des chercheurs de l’Université du Wisconsin-Madison permet d’accélérer considérablement l’optimisation des systèmes optogénétiques pour le contrôle de processus cellulaires. En intégrant des outils d’assemblage de circuits optogénétiques à des dispositifs d’illumination, d’agitation et de lecture optique pilotés par un bras robotisé, elle réduit le temps d’optimisation de 4 mois à 2 semaines.

Cette avancée ouvre la voie à un contrôle plus rapide et moins coûteux de la production de composés d’intérêt thérapeutique ou pour les biocarburants. Elle pourrait également permettre de contrôler plusieurs systèmes optogénétiques en parallèle, élargissant considérablement les possibilités offertes par cette technologie prometteuse.

Pour une meilleure compréhension

Quel est le principe de l’optogénétique ?

L’optogénétique consiste à contrôler des processus cellulaires en éclairant des cellules génétiquement modifiées avec une lumière de longueur d’onde spécifique.

Quels sont les avantages de cette nouvelle technique ?

Elle permet de tester rapidement et à haut débit de nombreuses conditions optogénétiques, réduisant considérablement le temps d’optimisation des systèmes.

Comment fonctionne-t-elle ?

Un bras robotisé déplace automatiquement une microplaque entre des stations d’illumination, d’agitation et de lecture optique des cultures cellulaires.

Quelles sont les applications potentielles ?

Production accélérée de médicaments, biocarburants. Contrôle en parallèle de multiples systèmes optogénétiques.

Légende illustration principale : Le bras robotisé de l’installation de Harmer déplace une microplaque à 96 puits selon un programme automatisé. Crédit : Tom Ziemer