Technologies BGene

Les molécules issues de la synthèse chimique traditionnelle, dont certains produits bien connus du grand public (arômes, fragrances, colorants,…) posent aujourd’hui de lourdes problématiques de développement durable : utilisation des ressources énergétiques, approvisionnement des matières premières peu vertueux avec des rendements faibles, acceptabilité du grand public sur les molécules de synthèse, impact du transport, etc. Aujourd’hui, la biologie de synthèse [définition], permet de produire ces molécules avec moins de ressources et moins de rejets polluants.

L’approche BGene

Grâce à son approche pluridisciplinaire qui réunit biologie, chimie et informatique, BGene développe aujourd’hui des technologies qui permettent de réduire les temps de développement et les coûts de procédés, ainsi que d’augmenter les rendements.

BGene est une société innovante spécialisée dans l’ingénierie métabolique et génétique de souches de bio-production. Pour développer des modes de production plus respectueux de l’environnement, Elle met au point des bactéries capables de produire des molécules de manière durable, à partir de matières premières renouvelables, non-alimentaires en utilisant les biotechnologies, l’informatique et la diversité naturelle des micro-organismes.

En associant des procédés éco-responsables et innovants à des ressources renouvelables non alimentaires, BGene va plus loin dans la bioproduction et répond à : comment produire plus, avec moins de ressources, moins cher et sans polluer.

BGene met la biotechnologie au service de l’environnement

En biotechnologie [définition], les microorganismes [définition], (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.