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Ingénierie moleculaire et metabolique

Une approche multidisciplinaire d’ingénierie moléculaire et métabolique (I2M), du fondamental au finalisé

L’équipe I2M couvre des thèmes de recherche multidisciplinaires à l’interface entre la biologie, la chimie et la physique. Elle se caractérise par une forte ouverture vers l’extérieur, au travers de collaborations avec des laboratoires académiques mais aussi par une tradition d’interactions avec l’industrie.

Les thèmes de recherches menés au sein de l’équipe I2M se caractérisent par trois volets complémentaires relevant largement de la biologie de synthèse :

  • un volet d’ingénierie métabolique chez la levure, qui vise la reconstruction ou le dessin de voies de biosynthèse naturelles ou artificielles (métabolisme des terpènes, stéroïdes, flavonoïdes, caroténoïdes et xénobiotiques ;
  • un volet d’ingénierie fonctionnelle et de modélisation des relations structure-activité sur des protéines et les complexes de transfert d’électrons ;
  • un volet d’ingénierie des complexes incluant en particulier la maîtrise des auto-assemblages hybrides (protéines, acide nucléiques, composés non biologiques).

 

 

L’ingénierie métabolique

La conception de voies de biosynthèse artificielles implique le transfert, l’expression et le couplage fonctionnel de multiples étapes enzymatiques au sein d’un même organisme-hôte pour constituer un ensemble métabolique autonome de production de molécules d’intérêt. Les thématiques fondamentales menées jusqu’à présent gravitent autour de l’étude de la plasticité du métabolisme et le dialogue entre une voie synthétique et le métabolisme hôte. Elles utilisent comme modèles d’études des molécules d’intérêt industriel (hormones stéroïdiennes, vitamine D activée, métabolites de médicaments, etc.) et sont basées principalement sur des technologies biomimétiques de transposition de voies de biosynthèse animales.

Les problèmes abordés concernent :

  • le dessin intégratif de la voie synthétique dans un organisme hôte
  • l’ingénierie de la compartimentation intracellulaire ;
  • la gestion des points de branchement métaboliques et le contrôle global des flux dans les réseaux métaboliques alternatifs ;
  • la gestion des activités parasites de l’hôte, les effets de toxicité, les interférences énergétiques.

 

L’implémentation de voies artificielles chez un hôte entraîne des conséquences physiologiques qui peuvent être compensées par des remaniements génomiques ou des adaptations métaboliques. Une compréhension multi-échelle de ces phénomènes nécessite la mise en œuvre d’outils génomiques, transcriptomiques, protéomiques et métabolomiques associant intimement biologie systémique à biologie de synthèse.

Un aspect plus amont de l’ingénierie métabolique réside dans son aspect combinatoire tant au niveau du choix des enzymes alternatifs pouvant être mis en œuvre, que de leurs niveaux d’expression nécessaire pour éviter des goulots d’étranglement ou des divergences métaboliques. L’équipe développe de nouveaux outils d’ingénierie métabolique basés sur des approches combinatoires et évolutives qui, au niveau de l’organisme, sont similaires aux approches combinatoires mises en œuvre au niveau de la protéine dans l’évolution moléculaire dirigée. Le problème est abordé au travers d’une double vision, l’une vise à créer des banques de variants exprimant des combinaisons aléatoires de gènes au sein d’une collection, l’autre vise à créer des mécanismes efficaces de mélange génomique qui puissent être contrôlés en nature et position, permettant ainsi une évolution contrôlée et l’optimisation sous contrainte fonctionnelle des microorganismes.

 

L’ingénierie des protéines et des complexes

L’équipe I2M est également reconnue pour son savoir-faire dans le domaine de l’ingénierie des protéines, en particulier les protéines membranaires d’oxydoréduction.

Historiquement, les approches développées ont été utilisées pour comprendre les mécanismes de plasticité et de discrimination de substrats chez les cytochromes P450. Nous avons développé des approches originales de création de banques combinatoires par recombinaison in vivo et des approches de cartographie fonctionnelle utilisant ces banques. Notre modèle implique l’analyse de la plasticité des spécificités de substrat en fonction des variations d’association d’éléments de séquences dans des bibliothèques de structures mosaïques d’enzymes. Ces travaux ont pour objectif de définir des règles prédictives de reconnaissance utilisables pour une ingénierie semi-rationnelle des fonctions enzymatiques.

 

Un second aspect de nos recherches correspond à l’analyse du rôle de la dynamique dans les mécanismes de transfert d’électrons. La coexistence d’éléments modulaires structuraux relativement rigides (blocs structuraux, cœur catalytique) et d’éléments mobiles (boucles, canaux, domaines de jonction ou de reconnaissance) forme la base de la diversité fonctionnelle. Nous abordons cette plasticité au travers d’une sélection « intelligente » d’échanges coordonnés de séquence basés à la fois sur l’analyse des coévolutions au sein des familles géniques et sur la modélisation structurale des interfaces entre domaines. Notre objectif est de décrire et comprendre les mécanismes dynamiques du contrôle des mouvements des protéines constituées d’assemblages de plusieurs domaines fonctionnels. Nous utilisons pour cela les technologies les plus récentes en matière d’analyse de la dynamique en particulier le FRET, la RMN, le SAXS et la dynamique moléculaire.

 

Le dernier aspect, celui d’ingénierie des complexes moléculaires, tourne autour de la notion de plateforme moléculaire fonctionnalisée. Nous avons en particulier développé des modèles utilisant une matrice auto-assemblée d’acide nucléiques pour positionner spatialement des protéines. Plus récemment nous nous intéressons aux molécules tremplins, dans lesquels une protéine sert de matrice d’assemblage à différents enzymes aux fonctions complémentaires. Dans une vision typique de la biologie de synthèse, nous tentons d’exploiter ce type d’assemblage dans l’ingénierie des mécanismes de maintenance de l’intégrité des génomes eucaryotes et permet d’adresser les questions fondamentales au niveau moléculaire rencontrées dans les thématiques d’ingénierie métabolique.