De nouvelles technologies génétiques pour améliorer la biocatalyse industrielle

Améliorer la maitrise de microorganismes par voie génétique est le challenge actuel pour augmenter les rendements de la biocatalyse à l’échelle industrielle.

Depuis les années 1970, il est possible de modifier génétiquement un microorganisme en y ajoutant notamment de nouvelles fonctions. Cette manipulation de première génération a été appliquée principalement pour produire industriellement des protéines recombinantes qui sont utilisées comme enzymes industrielles ou comme agents thérapeutiques (l’insuline, certains médicaments ou des vaccins).

Les propriétés microbiologiques nécessaires pour atteindre les besoins industriels en termes de biocatalyse pour la chimie biobasée sont différentes. Il faut en biocatalyse moduler de manière profonde la physiologie du microorganisme pour booster des réactions chimiques dont il est naturellement capable ou lui faire réaliser des réactions tout à fait inédites répondant aux besoins de l’industrie. La biocatalyse nécessite donc de nouveaux outils bioinformatiques et génétiques permettant de revisiter profondément les flux métaboliques et d’en créer d’autres. Ceci n’est pas le seul challenge, en effet si la production de protéines recombinantes est réalisée dans des fermenteurs stériles contrôlés en terme de conditions de croissance, il n’en va pas de même pour les applications en chimie biobasée.

Dans ces applications, vu le contexte de production moins contrôlé il faut veiller, outre à augmenter la biocatalyse, à éliminer les microorganismes (i) qui pourraient être volés par la concurrence (aspect security), (ii) ceux qui s’échapperaient par accident de la zone de production (aspect safety, gene containment), (iii) ceux qui perdent leur caractéristique de biocatalyseur (dérive génétique, optimisation du rendement). De plus, (iv) il faut protéger les microorganismes des contaminations de la zone de production (aspect safety, genetic shielding).

La technologie développée par la société Syngulon propose l’usage de gènes de bactériocines pour développer de nouveaux circuits répondant aux besoins des applications microbiologiques en biocatalyse. Les bactériocines sont des peptides tueurs que les bactéries sécrètent naturellement dans leur environnement pour se protéger des bactéries concurrentes. La bactérie produit un gène d’immunité pour se protéger de sa propre bactériocine. Il existe une grande variété de bactériocines, produites par beaucoup de bactéries différentes. Les bactériocines ont un spectre d’action plus ou moins large. Elles agissent comme des antibiotiques mais elles sont génétiquement codées ce qui offre la possibilité de les construire par les technologies de la génétique, ce y compris au niveau de leur taux d’expression. Certaines bactériocines sont déjà appliquées dans l’industrie comme la Nisin qui est GRAS et qui est utilisée comme agent conservateur dans l’industrie alimentaire (E 234).

Concrètement, la technologie consiste à avoir un microorganisme réalisant une biocatalyse industrielle protégé par une immunité. De cette manière, on obtient une technologie de sélection qui fait que seuls survivent les microorganismes d’intérêt. De plus, en rendant l’expression de l’immunité dépendante d’éléments présents (en quantité infime) uniquement dans la zone de production, il est possible d’obtenir l’ensemble des propriétés i à iv décrites ci-dessus.

Syngulon (www.syngulon.com) est une startup qui développe des technologies génétiques originales pour augmenter l’efficacité des microorganismes utilisés en biotechnologie industrielle. Ces technologies se basent sur la biologie synthétique qui revisite les génomes microbiens pour rendre ces derniers plus en phase avec les demandes des industriels en terme d’efficacité mais aussi en terme de compatibilité avec l’environnement. 

Sources :

• Biocatalysis for Biobased Chemicals Biomolecules. Rubén de Regil and Georgina Sandoval. Dec 2013 3(4): 812–847 doi: 10.3390/bioc’m3040812
• Designing metabolic engineering strategies with genome-scale metabolic flux modeling. Yen JY, Tanniche I, Fisher AK, Gillaspy GE, Bevan DR, Senger RS. Janv 2015 5: 93—105.
• Demande de brevet « Controlled growth of microorganisms » portant le numéro US 2015/0050253 A1 publiée le 19 février 2015

New gene technology to ameliorate industrial catalysis

Improvement of microorganisms control through genetic engineering is the current challenge to increase biocatalysis yields at an industrial scale. 

Since the 70s, it is possible to genetically modify microorganisms, notably by adding new functions. This first generation of applications usually had the intend of producing recombinant proteins at an industrial scale to be used as enzymes in industry, or therapeutic agents (insulin, medical drugs or vaccines).

Microbiological requirements needed to meet industrial needs in terms of biobased chemistry biocatalysis are different. In biocatalysis, the microorganism physiology is deeply modulated in order to boost its naturally occurring chemical reactions (ie physiology), or even induce completely new chemical reactions that are of industrial interest. Biocatalysis is thus in need of new bioinformatic and genetic tools to revisit known metabolic pathways in depth and create new ones.
This is not the sole challenge for biobased chemistry; indeed, while recombinant protein production is achieved with growth controlled, sterile bioreactors, the same does not apply to bio-based chemistry.

In biobased chemistry, the production context is less controlled and there is a continuous need to increase biocatalysis by having microorganisms (i) that could not be stolen by competitors (security aspect), (ii) that could not escape from the production area (safety aspect, gene containment), (iii) that maintain their biocatalytic characteristics (fighting against genetic drift for yield optimization). Moreover, (iv) organisms must be shielded from microbial contaminations of the environment that may negatively impact the production.

Syngulon´s technology sets forth the usage of bacteriocins genes to develop new genetic circuits that give an answer to the needs of microbiological applications in biocatalysis. Bacteriocins are natural killer peptides secreted into the environment by bacteria as a means of defense against other competing flora. Bacteriocin producing bacteria also have an immunity gene to protect themselves from the toxicity of their bacteriocin.

A great variability of bacteriocins exists in nature they are produced by most bacteria. Bacteriocins present different spectrum of action that could be broad or narrow. Bacteriocins act has antibiotic but are genetical ly encoded allowing to tune their activities and expression rate based on genetic engineering. Some bacteriocins are applied in the industry like nisin that is GRAS and used as food preservative (E234).

Specifically, the technology consists of having biocatalysis at the industrial scale, with microorganisms expressing bacteriocins that are protected by an immunity gene set. In this way we achieve a technology of selection allowing only the microorganisms making efficiently the biocatalytic reaction to survive. Furthermore, by making the expression of immunity dependent in elements only present in the production area (in residual concentrations), it is possible to obtain the all ensemble of properties, i to iv, described above.

Syngulon (www.syngulon.com) is a startup developing original genetic technologies to improve the efficiency of microorganisms involved in industrial bioproduction. These new technologies are based on synthetic biology designing industrial microbial genomes to achieve high production yield and improve compatibility with the environment.
Logo à mettre au regard de ce dernier paragraphe SVP

Sources:

• Biocatalysis for Biobased Chemicals Biomolecules. Rubén de Regil and Georgina Sandoval. Dec 2013 3(4): 812–847 doi:  10.3390/bioc’m3040812
• Designing metabolic engineering strategies with genome-scale metabolic flux modeling. Yen JY, Tanniche I, Fisher AK, Gillaspy GE, Bevan DR, Senger RS. Jan 2015 5 : 93—105.
• « Controlled growth of microorganisms » Patent Application Publication US 2015/0050253 A1 (Feb. 19, 2015)