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Thèmes de recherche
La biologie synthétique est une discipline interdisciplinaire qui fusionne les principes de l'ingénierie, de l'informatique et de la biologie moléculaire pour concevoir, modifier et construire de nouveaux systèmes ou organismes biologiques. Elle utilise l'assemblage standardisé de pièces d'ADN pour reprogrammer le vivant ou créer des fonctions cellulaires inédites. Ces cellules programmables servent d'usines biologiques prédictibles capables de relever des défis mondiaux majeurs, de la fabrication de biothérapies médicales sur mesure à la décontamination environnementale et à la production de bioénergies durables.
La génomique synthétique utilise les principes d'ingénierie et de biologie moléculaire pour concevoir, modifier et synthétiser chimiquement des chromosomes ou des génomes bactériens entiers. L'objectif est d'apprendre les règles qui régissent le fonctionnement global des cellules et de créer des organismes aux propriétés inédites.
La biologie des systèmes est une approche interdisciplinaire qui étudie les interactions dynamiques entre toutes les composantes d'un organisme (gènes, protéines, métabolites) plutôt que de les analyser isolément. En combinant la biologie moléculaire, la bioinformatique et la modélisation mathématique, elle prédit le comportement global des cellules. Ce domaine permet de comprendre les mécanismes des maladies complexes, d'identifier de nouvelles cibles thérapeutiques et de guider la conception de circuits cellulaires optimisés.
Cet axe de recherche utilise des systèmes automatisés et des robots pour exécuter, optimiser et accélérer l'expérimentation en laboratoire. En combinant la microfluidique, les bras robotisés et l'intelligence artificielle, cette approche permet de manipuler des échantillons à très haut débit avec une excellente précision et reproductibilité. Elle transforme la recherche en automatisant le criblage de molécules, la culture cellulaire continue et l'assemblage standardisé de fragments d'ADN pour la biologie synthétique.
Sujets d'étude
Mesoplasma florum est une petite bactérie ovoïde, quasi-minimale et non pathogène de la classe des Mollicutes, décrite pour la première fois sous le nom d'Acholeplasma florum en 1984 par McCoy et ses collègues. Dérivé de bactéries Gram-positives à faible taux de GC, M. florum a perdu sa capacité à synthétiser de nombreux métabolites à la suite d'événements de perte massive de gènes. Cela se traduit par l'un des plus petits génomes (< 800 kb) et l'un des métabolismes les plus simples parmi les micro-organismes autonomes. Par exemple, cette bactérie ne possède pas de paroi cellulaire et produit de l'énergie exclusivement par glycolyse et fermentation. Pourtant, M. florum affiche un taux de croissance remarquablement rapide in vitro et peut être cultivé dans des conditions de laboratoire standards. Ce micro-organisme utilise également un code génétique alternatif qui limite les échanges indésirables de matériel génétique avec d'autres micro-organismes.
Ces caractéristiques distinctives font de M. florum un candidat de premier choix pour les travaux et les applications en biologie synthétique et systémique. Voici quelques exemples de projets de recherche reliés à M. florum actuellement en cours au laboratoire Rodrigue :
- Recodage, réduction et refactorisation du génome de M. florum
- Étude à grande échelle de l'essentialité des gènes de M. florum
- Développement d'outils de génie génétique et de transplantation de génome pour M. florum
- Développement des systèmes de sécrétion d'anticorps mimétiques
- Développement de milieux de culture définis et semi-définis pour M. florum
- Approches de modélisation de la cellule entière
Escherichia coli est une bactérie à Gram négatif en forme de bâtonnet et est probablement l'organisme modèle le plus étudié à ce jour, ce qui en fait un pilier de la biologie synthétique et des systèmes. Sa popularité repose sur une cartographie exhaustive de son génome et de son métabolisme, une vitesse de division ultra-rapide et une immense boîte à outils moléculaires déjà optimisée pour sa manipulation. De plus, sa grande flexibilité métabolique permet d'y intégrer facilement des circuits génétiques et des voies de biosynthèse étrangères pour développer diverses applications en biologie synthétique.
Notre laboratoire utilise une grande variété de souches d’E. coli afin de répondre aux différentes questions de recherche. Cela inclut des souches de laboratoire standards comme MG1655, le modèle de référence génétique, et BW25113, la souche parente de la collection de mutants Keio. Nous exploitons également des châssis au génome réduit comme DGF-298, une souche optimisée dont 36 % du chromosome non essentiel a été éliminé pour offrir une plateforme cellulaire plus stable et prévisible.
Voici quelques exemples de projets de recherche actuellement menés au laboratoire Rodrigue en lien avec la bactérie E. coli :
- Étude du phénomène de létalité synthétique chez E. coli
- Recodage, réduction et refactorisation du génome d'E. coli
- Dévelopement d'outils de synthèse et d'assemblage de larges fragments d'ADN
- Décomposition du milieu de culture et impact sur l'expression et l'essentialité des gènes
Le plasmide conjugatif TP114, appartenant au groupe d'incompatibilité IncI2, est un modèle d'étude majeur pour le transfert horizontal de gènes en raison de son efficacité de conjugaison exceptionnelle in situ. Son transfert hautement efficace repose sur un pilus de type IVb accessoire qui stabilise les bactéries lors de la conjugaison. Ce système intègre une région de recombinaison d'ADN hautement dynamique appelée shufflon, qui varie la structure de l'adhésine PilV afin de modifier spécifiquement l'affinité du plasmide pour les récepteurs de surface des cellules réceptrices. En raison de cette machinerie de transfert ultra-efficace, le plasmide TP114 représente un substrat hautement intéressant pour des applications en biologie synthétique, notamment en tant que châssis thérapeutique pour concevoir des vecteurs conjugatifs programmables permettant la livraison ciblée de systèmes CRISPR-Cas capables d'éliminer spécifiquement les bactéries antibiorésistantes.
Exemples de projets de recherche au sein du laboratoire Rodrigue à propos du plasmide TP114:
- Étude intégrative de la régulation de l'expression des gènes de TP114
- Cartographie détaillée des éléments géniques de TP114
- Création d'une banque systématique de mutants de délétions géniques de TP114
- Ingénierie du plasmide TP114 pour des applications thérapeutiques
- Charactérisation approfondie des mécanismes de transfert, de réplication et d'exclusion du plasmide TP114
Le bactériophage M13 est un virus filamenteux à ADN simple brin qui infecte les bactéries Gram-négatives via le pilus F sans provoquer leur lyse, permettant une sécrétion continue de virions sans libération d'endotoxines contaminantes. En biologie synthétique et en thérapeutique, il constitue un modèle d'intérêt majeur grâce à la technologie du phage display, qui permet l'exposition de peptides ou d'anticorps fusionnés à ses protéines de surface pour le criblage de molécules à haute affinité. Sa capside flexible s'ajuste naturellement à la taille de son génome modifié, ce qui en fait un vecteur programmable idéal pour livrer des circuits génétiques thérapeutiques ou des systèmes CRISPR-Cas ciblés. De plus, sa structure de nanofibre rigide et modifiable en surface permet son utilisation comme échafaudage nanotechnologique pour concevoir des biocapteurs, des nanomatériaux biomédicaux et des systèmes avancés de ciblage tumoral.
Malgré son immense potentiel en biologie synthétique, la caractérisation moléculaire globale du bactériophage M13 repose sur des études menées il y a plus de 40 ans avec les technologies de l'époque. Réévaluer entièrement ce modèle biologique à l'aide des techniques récentes à la fine pointe, telles que le séquençage de nouvelle génération à haut débit et la transcriptomique avancée, permettrait d'obtenir une caractérisation beaucoup plus précise de ses mécanismes moléculaires.
Au laboratoire Rodrigue, nous visons entre autres de:
- Établir une caractérisation intégrative et hautement détaillée du bactériophage M13 à l'aide de techniques modernes
- Définir les éléments essentiels de son génome à l'aide de la mutagénèse par transposons
- Étudier ses mécanismes et sa dynamique d'infection, réplication, répartition et exclusion
- Développer des variants synthétiques du bactériophage M13