Foire aux questions

Chez BGene la transmission et la pédagogie sont primordiales. Il nous a semblé indispensable de proposer des définitions simples et accessibles afin de permettre la compréhension de notre travail au plus grand nombre.

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Glossaire

A

ADN N.M ACIDE DESOXYRIBONUCLEIQUE

L’acide désoxyribonucléique, ou ADN, est une macromolécule biologique présente dans presque toutes les cellules ainsi que chez de nombreux virus. L’ADN contient toute l’information génétique, appelée génome, permettant le développement, le fonctionnement et la reproduction des êtres vivants.

ARN N.M ACIDE RIBONUCLEIQUE

L’ARN est une molécule biologique trouvée dans pratiquement tous les organismes vivants, y compris certains virus. L’ARN est une molécule très proche chimiquement de l’ADN et il est d’ailleurs en général synthétisé dans les cellules à partir d’une matrice d’ADN dont il est une copie. Les cellules vivantes utilisent en particulier l’ARN comme un support génétique intermédiaire de nos gènes pour fabriquer les protéines dont elles ont besoin.

B

BIOLOGIE MOLECULAIRE

Discipline consacrée à l’étude des molécules porteuses du message héréditaire (ADN, ARN), de leur structure, synthèse, altérations (mutations). Elle comprend l’ensemble des techniques d’étude et de manipulation des acides nucléiques (clonages et mutations de gènes, expression des gènes).

BIOLOGIE DE SYNTHESE

Branche interdisciplinaire de la biologie moléculaire qui recourt à la physique, à l’informatique, et à la chimie pour inventer des génomes, obtenir des réactions enzymatiques nouvelles, et créer des cellules capables d’activités métaboliques et fonctionnelles inédites. Dans le cas de BGene, la biologie de synthèse permet de donner à une bactérie des supers pouvoirs (réactions métaboliques inédites) : elle devient alors the BGene Outsanding Bacterium : BOB.

BIOMASSE

Masse totale des organismes vivants mesurée dans une population. Chez BGene, nous utilisons ce mot pour parler de l’ensembles des cellules bactériennes ou de levures qui se trouvent dans un bioréacteur

BIOPROCEDE

Un bioprocédé est un procédé utilisant des systèmes vivants dans le but de produire des molécules à destination d’un marché. Chez BGene, les systèmes vivants sont des cellules de microorganismes qui sont utilisées comme de véritables petites usines dans lesquelles sont installés les outils de production (= les voies métaboliques).

BIOREACTEUR

Un bioréacteur est une enceinte fermée équipée de capteurs et de régulations automatiques de température, de pH, d’aération, d’agitation. Ces enceintes sont remplies de solutions contenant tous les nutriments nécessaires à la croissance des microorganismes de production. Les bioréacteurs sont les outils de choix pour maitriser les procédés de productions de nos molécules par voies biologiques. Il en existe de différentes tailles. En général le développement des bioprocédés débute par des essais dans des bioréacteurs de petite taille.

BIOTECHNOLOGIES

Application de la science et de la technologie à des organismes vivants, de même qu’à ses composantes, produits et modélisations, pour modifier des matériaux vivants ou non-vivants aux fins de la production de connaissances, de biens et de services.

C

CHROMOSOME

Les chromosomes sont constitués d’ADN qui porte les gènes. Chez les bactéries, la grande molécule d’ADN circulaire qui baigne dans le cytoplasme est appelée chromosome bactérien. La bactérie possède aussi souvent de petits ADN circulaires dans son cytoplasmique : les plasmides. Chez les organismes eucaryotes, les chromosomes sont confinés au sein du noyau.

E

ENZYME

Protéine particulière qui accélère (catalyse) les réactions chimiques. Les enzymes sont indispensables à la réalisation des processus métaboliques : ce sont des ciseaux biologiques qui découpent ou décomposent les substrats. Par exemple, l’enzyme saccharase va décomposer le substrat saccharose pour créer des sucres simples, à savoir le glucose et le fructose, que certaines bactéries pourront plus facilement “manger”. Une enzyme ne peut découper que son substrat, voire sa famille de substrat : il existe une très grande diversité d’enzymes qui ont chacune un rôle bien précis.

F

FERMENTATION

Processus bien connu depuis des millénaires puisqu’on lui doit entre autres le vin, le saucisson, le pain et le fromage… lorsque des micro-organismes (bactérie, levure ou moisissure) sont mis en contact avec des aliments non transformés (légumes, fruits, céréales, lait), elles produisent alors de l’alcool, de l’acide lactique ou encore du gaz carbonique mais aussi des molécules aromatiques qui participent au développement des goûts et odeurs de ces produits transformés. Le lait devient du fromage, le raisin du champagne, la pièce de viande crue du saucisson etc. avec une diversité d’arômes caractéristiques ! Dans le cas de BGene, la fermentation a lieu entre BOB et des copeaux de bois, pour donner une molécule odorante naturelle à destination des cosmétiques.

G

GENE

Morceau d’ADN codant pour une protéine.

GENOME

Ensemble des gènes d’un organisme.

H

HPLC

Une chaine HPLC est une machine d’analyse des molécules. L’analyse est réalisée à haute pression. Les molécules en phase liquide sont séparées selon leur affinité soit pour la phase solide sur laquelle elles sont séparées, soit pour la phase liquide qui les entraine. Des détecteurs placés en sortie permettent d’identifier les molécules ainsi séparées.

M

METABOLISME

Ensemble des réactions chimiques qui se déroulent à l’intérieur d’un organisme vivant et qui lui permettent de se maintenir en vie. Le métabolisme est constitué de deux mécanismes opposés :
– Catabolisme : extraction de l’énergie et du carbone des nutriments, par dégradation des molécules énergétiques (glucides, lipides…) ;
– Anabolisme : il permet de synthétiser les constituants nécessaires à la structure et au bon fonctionnement des cellules.

Le métabolisme des micro-organismes peut être modulé et/ou modifié grâce à la biologie de synthèse afin d’obtenir une production optimale de molécules cibles.

MICROBE – MICRO-ORGANISME

En 1978, Charles-Emmanuel Sédillot définit les « microbes » comme l’ensemble des organismes vivants invisibles à l’œil nu. On distingue depuis trois grandes familles dans les microbes :

  • Les Eucaryotes : levures, champignons unicellulaires et algues
  • Les Procaryotes : bactéries et archées
  • Les virus

Pour aller plus loin et connaître la différence entre un virus et une bactérie, rendez-vous sur les articles de BGene à ce sujet

MONTEE EN ECHELLE DU PROCEDE

Lorsque le procédé est maitrisé à des volumes de laboratoire (quelques litres), il est ensuite transféré à des volumes de plus en plus grands (dizaines, centaines, milliers de litres), afin de faire face aux problématiques liées aux cuves industrielles, de très grande taille. Au terme du développement, le procédé est transféré dans des cuves de taille industrielle (plusieurs mètres cubes). Le procédé est dit « industrialisé » : cela signifie qu’il peut être opéré dans le but d’être commercialisé.

I

IN SILICO

Recherche ou étude effectuée au moyen de calculs complexes informatisés ou de modèles informatiques : ici c’est l’ordinateur qui travaille !

O

OLIGONUCLEOTIDE (OU PRIMER)

Petits fragments d’ADN synthétisés utilisés comme amorces pour des réactions de synthèse d’ADN par PCR ou de séquençage.

ORGANISME GENETIQUEMENT MODIFIE (OGM)

Organisme pour lequel on a supprimé ou ajouté un élément dans le génome par des techniques de biologie moléculaire. Ceci a pour objectif de lui conférer de nouvelles propriétés. Nos bactéries améliorées sont donc techniquement des microorganismes génétiquement modifiés (MGM). Nous les utilisons en bioréacteurs confinés comme petites usines de production d’une molécule. Une fois produites, les molécules sont extraites et purifiées et ne contiennent aucune trace des organismes dont elles sont issues. Ceux-ci sont ensuite détruits. De la même façon que la vanilline est extraite de la gousse, vous n’avez aucune trace de plante dans le produit final !

P

PLASMIDE

ADN circulaire pouvant se trouver naturellement ou artificiellement dans une bactérie ou une levure.

PROTEINE

Assemblage d’acides aminés ordonnés selon le code génétique et obtenu après lecture d’un gène. Des milliers de protéines interagissent dans les organismes vivants. Chacune a une fonction particulière dans le métabolisme : catalyseur, transporteur, transmission de signal… en une phrase simple tout ce qui permet à une cellule de fonctionner, se nourrir, respirer, se diviser.

BGene met la biotechnologie au service de l’environnement

En biotechnologie, les microorganismes, (bactéries, levures, champignons) sont utilisés comme des petites usines. La matière première (le bois dans notre cas), leur est fournie en entrée. Les microorganismes digèrent cette matière première, et l’utilisent à la fois pour vivre, se multiplier mais également produire la molécule d’intérêt.

Pour certains, il est nécessaire d’adapter leur génome pour leur donner des propriétés supplémentaires et les rendre plus performants.

Expertise génétique des microorganismes

L’équipe BGene est composée de biologistes moléculaires, microbiologistes et biochimistes.

Au sein du pôle Recherches Avancées de BGene, nos expert.e.s en génétique et biologie moléculaire développent des outils innovants d’édition de génome adaptables à un grand nombre de bactéries et levures, qui permettent d’optimiser génétiquement les microorganismes. C’est le savoir-faire historique de BGene : la modification du chromosome bactérien de façon ciblée, sans laisser de marqueur de résistance à un antibiotique, ni de cicatrice, c’est à dire de nucléotides résiduels qui pourraient déstabiliser le génome. Nous appelons ces modifications “propres et sans cicatrice”.

Des outils adaptés et adaptables à la diversité microbienne
Notre boîte à outils pour la bactérie E. coli s’appelle COLIBELT(R) (brevet FR3050997). L’ensemble de ces outils sont adaptables à une grande variété de bactéries. En effet, l’utilisation de microorganismes modèles de laboratoire comme châssis microbiens en biologie de synthèse a montré de très nombreuses limites, et BGene a fait le pari il y a déjà quelques années d’utiliser plutôt la diversité microbienne pour trouver des châssis très bien adaptés à la molécule à produire. Un procédé innovant de modifications génétiques du chromosome microbien à haut débit a été récemment breveté (FR3099769).

Nous sommes ainsi capables d’insérer de nouveaux gènes exactement où nous souhaitons dans le chromosome bactérien, ou de déléter précisément certains gènes. Grâce aux outils et techniques développés par le pôle Recherches Avancées, l’équipe du pôle Recherche et Développement façonne nos bactéries : délétion et/ou insertion des gènes nécessaires à la production des molécules souhaitées, modification des éléments régulateurs, validation à chaque étape de l’expression de ces gènes en protéines (SDS-PAGE, Western-Blot), tests des activités des enzymes produites pour valider les souches de bioproduction. Il faut tester des dizaines de combinaisons possibles de modifications pour que la bactérie la plus adaptée sorte du lot : une plateforme robotisée permet la construction et les tests de différentes souches à haut-débit afin d’accélérer le processus

Cad4Bio®, une solution informatique au service de la biologie moléculaire

La solution informatique CAD4Bio® assure le suivi complet de la plateforme automatisée de biologie moléculaire. Elle comprend plusieurs aspects :

  • Éditeur ADN-Assemblage. Design in silico de l’ADN, design et optimisation des oligonucléotides pour la gestion de la combinatoire. Cad4Bio® inclut un apprentissage sur l’assemblage et l’analyse des résultats de séquençage.
  • Gestion du workflow de construction de souches permettant la construction manuelle ou haut-débit et la traçabilité à toutes les étapes.
  • LIMS (Laboratory Information Management System) pour la gestion des souches, des matrices ADN et des oligonucléotides. Il propose aussi un cahier de laboratoire digitalisé.

Tous les microorganismes ne se comportent pas de la même manière, et chacun a sa zone de confort, son environnement privilégié. Certains ont besoin de plus d’oxygène que d’autres, certains ont besoin d’un pH plus acide, d’autres plus basique, certains ont besoin de vitamines, d’autres de sels minéraux particuliers.

Développement du process de production
La mission du Pôle Bioprocédé, dernier étage de la fusée BGene, est de comprendre cet environnement privilégié, puis de le reproduire le plus fidèlement possible afin que le

microorganisme soit le plus performant. Ainsi il sera dans les meilleures conditions pour transformer la matière première (substrat) en produit final (arôme) au cours d’un procédé éco-responsable.

En 2019, l’activité de ce pôle a débuté par l’acquisition d’une chaine HPLC ; les premières preuves de production de nos molécules cibles ont ainsi pu être réalisées. Par la suite, avec l’arrivée de 6 bioréacteurs de 3 litres, le procédé a gravi un échelon de l’échelle vers l’industrialisation.

En 2021, le Pôle Bioprocédés ouvre son laboratoire dédié, “La Brasserie” : 120 m² sur lesquels sont installés les bioréacteurs de paillasse, 2 chaines HPLC et une LC-MS. En parallèle, BGene développe les opérations unitaires de purification (DSP) des molécules cibles.

L’objectif à moyen terme est de proposer une première démonstration à l’échelle pilote de laboratoire de son procédé, et de proposer des premiers lots de molécules cibles.

L’activité du pôle, constitué de chimistes, de biochimistes et d’ingénieurs bioprocédés, s’articule autour de quatre axes de développement :

  • le procédé de prétraitement biologique du bois,
  • le procédé de production des molécules à haute valeur ajoutée,
  • le procédé de purification des molécules,
  • les techniques analytiques.
Innover pour trouver de nouvelles voies de production

Pour transformer une matière première en produit, il faut trouver le meilleur itinéraire métabolique, à la fois le plus rapide, et le plus efficace ! Comment sont alors choisies les voies métaboliques à supprimer ou ajouter ? C’est là que le pôle Sciences informatique joue un rôle essentiel dans l’innovation de nos procédés.

MAD4Bio®, la solution bio-informatique de modélisation des voies de synthèse naturelles

En 2018, l’équipe conçoit entièrement un outil totalement innovant, MAD4Bio®, qui permet de modéliser les voies de synthèse naturelles à mettre en place pour aller d’une ressource de matière première définie au produit final souhaité. Ce programme de bio-informatique permet de sélectionner le bon châssis microbien et les gènes qui seront utilisés par la suite sur CAD4Bio®. Pour ça il s’appuie sur des bases de données publiques métaboliques, chimiques et enzymatiques, sur lesquelles viennent travailler des algorithmes spécifiques, qui permettent les simulations. Au fur et à mesure de l’alimentation en données, MAD4Bio® est capable de sélectionner de plus en plus rapidement le modèle biologique le plus adapté, et d’innover :

  • Pour les molécules naturelles : trouver des voies de biosynthèses non identifiées.
  • Pour les molécules non naturelles : remplacer la chimie de synthèse pour les produire de façon naturelle.

La nature étant bien faite, certains microorganismes possèdent déjà une partie des voies de biosynthèses nécessaires, parfois plutôt adaptées au métabolisme de la matière première, parfois un morceau de la voie de biosynthèse du produit, parfois une voie existante vers une molécule suffisamment proche, structurellement, du produit, suffisamment proche en tous cas pour envisager de combler la différence par l’ajout de réactions enzymatiques bio-inspirées.

Une fois les voies métaboliques naturelles identifiées, Mad4Bio ® va aussi explorer la diversité microbienne naturelle pour identifier les châssis les mieux précablés !

D’autres critères vont ensuite entrer en ligne de compte dans la sélection finale de notre châssis idéal. Des critères d’essence scientifique, comme des caractéristiques microbiennes essentielles ou l’existence d’outils génétiques, mais aussi des critères plus proches du respect des réglementations, comme le respect du Protocole de Nagoya, la liberté d’exploitation, et faut-il le souligner, une non-pathogénicité pour la faune et la flore.

Optimiser le potentiel génétique de notre bactérie in-silico

A ce stade, nous avons notre bactérie optimisée.

Nous connaissons, ou nous pouvons reconstruire in silico [définition], son réseau métabolique, c’est à dire l’ensemble de ses voies métaboliques, toutes interconnectées et qui produisent un réseau de l’ordre d’un millier de ‘nœuds’, les métabolites ; et encore plus de liaisons entre ces nœuds, qui sont les réactions métaboliques, dont les fameuses réactions enzymatiques qui ont été identifiées par Mad4Bio ® et insérées dans le châssis microbien le mieux adapté par l’équipe du pôle Recherche et Développement. Ce réseau, représentatif même si imparfait, peut être vu comme un objet mathématique. Il est alors possible, avec une approche algorithmique d’optimisation implémentée dans MAD4Bio®, d’améliorer ce réseau pour maximiser la croissance et la production du produit d’intérêt, dans des proportions éventuellement variables sur leur concomitance ou leur enchaînement.

On identifie alors un ensemble de modifications métaboliques qui sont bénéfiques à notre objectif : couper les voies métaboliques non-essentielles, moduler l’expression de certaines voies, à la hausse ou à la baisse. L’objectif étant de réorienter l’effort métabolique de la cellule vers les voies désirées : croissance et/ou production.

MAD4Bio® identifie également la concrétisation formelle des gènes à supprimer ou réguler, c’est à dire la marche à suivre des différentes modifications génétiques à effectuer grâce à CAD4Bio®

Bio-production et feedback des résultats

Une fois construites et améliorées, nos bactéries sont mises en relation avec des co-produits de l’industrie forestière française : des copeaux de bois issus des coupes raisonnées. Les « déchets verts » sont ainsi surcyclés et fournissent les carbones 100% naturels qui constitueront la molécule à synthétiser.

Le processus naturel et éco-responsable de fermentation entre les bactéries et les co-produits de l’industrie forestière s’enclenche, et permet la création d’une molécule dérivée d’ingrédient naturel de fragrance ou de couleur pour les cosmétiques.