Une nouvelle voie de contrôle du métabolisme microbien

Annonce : S’agissant de l’information à propos des rappels de produits alimentaires, pour le moment, il ne faut pas faire confiance à nos autorités sanitaires (Ministère de l’agriculture et DGCCRF). Ces deux entités ont fait et font toujours preuve d’une incroyable légèreté et d’un manque d’informations fiables vis-à-vis des consommateurs avec comme corollaire une absence de transparence en matière de sécurité des aliments.

« Une nouvelle voie de contrôle du métabolisme microbien », source communiqué du MIT du 2 décembre 2019.

Les ingénieurs chimistes du MIT ont incorporé deux points de commutation dans les voies métaboliques de E. coli, ce qui peut aider à stimuler la production de composés utiles par les microbes.

Image reproduite avec l'aimable autorisation de l'Institut national des maladies allergiques et infectieuses, édité par MIT News.

Des ingénieurs chimistes programment les bactéries pour qu’elles passent d’une voie métabolique à l’autre, augmentant ainsi leur rendement en produits désirables.

Les microbes peuvent être conçus pour produire une variété de composés utiles, notamment des plastiques, des biocarburants et des produits pharmaceutiques. Cependant, dans de nombreux cas, ces produits sont en concurrence avec les voies métaboliques dont les cellules ont besoin pour se nourrir et se développer.

Pour aider à optimiser la capacité des cellules à produire les composés désirés tout en maintenant leur propre croissance, les ingénieurs chimistes du MIT ont mis au point un moyen d'inciter les bactéries à passer d'une voie métabolique à l'autre à des moments différents. Ces commutateurs (ou switchs) sont programmés dans les cellules et sont déclenchés par des changements de densité de population, sans intervention humaine.

« Ce que nous espérions, c'est que cela permettrait une régulation plus précise du métabolisme, ce qui nous permettrait d'obtenir une productivité plus élevée, tout en minimisant le nombre d'interventions », a déclaré Kristala Prather, professeur de chimie et auteur sénior de l'étude.

Ce type de commutation a permis aux chercheurs de décupler les rendements microbiens de deux produits différents.

Christina Dinh, étudiante du MIT, est le premier auteur de cet article, qui va être publié cette semaine dans les Proceedings of the National Academy of Sciences.

Double switch

Pour permettre aux microbes de synthétiser des composés utiles qu’ils ne produisent pas normalement, les ingénieurs insèrent des gènes pour les enzymes impliquées dans la voie métabolique - une chaîne de réactions générant un produit spécifique. Cette approche est maintenant utilisée pour produire de nombreux produits complexes, tels que des produits pharmaceutiques et des biocarburants.

Dans certains cas, les intermédiaires produits lors de ces réactions font également partie des voies métaboliques déjà présentes dans les cellules. Lorsque les cellules détournent ces intermédiaires du processus d'ingénierie, le rendement global du produit final diminue.

En utilisant un concept appelé ingénierie métabolique dynamique, Prather a précédemment construit des commutateurs qui aident les cellules à maintenir l'équilibre entre leurs propres besoins métaboliques et la voie qui produit le produit souhaité. Son idée était de programmer les cellules pour qu'elles commutent de manière autonome entre les voies, sans aucune intervention de la part de la personne qui fait fonctionner le fermenteur, là où les réactions se produisent.

Dans une étude publiée en 2017, le laboratoire de Prather a utilisé cette approche pour programmer E. coli afin de produire de l’acide glucarique, un précurseur de produits tels que les nylons et les détergents.

La stratégie des chercheurs reposait sur le quorum sensing, un phénomène que les cellules bactériennes utilisent normalement pour communiquer entre elles. Chaque espèce de bactérie sécrète des molécules particulières qui les aident à détecter les microbes à proximité et à influencer le comportement de chacun.

L'équipe du MIT a conçu des cellules de E. coli pour sécréter une molécule de détection du quorum appelée AHL. Lorsque les concentrations de AHL atteignent un certain niveau, les cellules bloquent une enzyme qui détourne un précurseur de l’acide glucarique dans l’une de ses voies métaboliques. Cela permet aux cellules de croître et de se diviser normalement jusqu'à ce que la population soit suffisamment nombreuse pour commencer à produire de grandes quantités du produit souhaité.

« Ce article a été le premier à démontrer que nous pouvions effectuer un contrôle autonome », a déclaré Prather. « Nous pourrions commencer les cultures, et les cellules sentiraient alors le moment opportun pour opérer un changement. »

Dans le nouvel article de PNAS, Prather et Dinh ont décidé de créer plusieurs points de commutation dans leurs cellules, leur permettant ainsi de mieux contrôler le processus de production. Pour y parvenir, ils ont utilisé deux systèmes de détection du quorum issus de deux espèces différentes de bactéries. Ils ont incorporé ces systèmes à E. coli, conçus pour produire un composé appelé naringénine, un flavonoïde naturellement présent dans les agrumes et qui a divers effets bénéfiques sur la santé.

À l'aide du système de quorum sensing, les chercheurs ont intégré deux points de commutation dans les cellules. Un des commutateurs a été conçu pour empêcher les bactéries de détourner un précurseur de la naringénine appelé malonyl-CoA dans les voies métaboliques des cellules. À l'autre point de commutation, les chercheurs ont retardé la production d'une enzyme dans leur voie d'ingénierie afin d'éviter l'accumulation d'un précurseur qui inhibe normalement la voie de la naringénine si une trop grande quantité de précurseur s'accumule.

« Puisque nous avons pris des composants de deux systèmes de quorum sensing différents et que les protéines régulatrices sont uniques entre les deux systèmes, nous pouvons décaler le temps de commutation de chacun des circuits de manière indépendante », explique Dinh.

Les chercheurs ont créé des centaines de variantes de E. coli qui effectuent ces deux commutations à différentes densités de population, leur permettant ainsi d'identifier celle qui était la plus productive. La souche la plus performante a montré un rendement décuplé de la naringénine par rapport aux souches non équipées de ces interrupteurs de contrôle.

Des voies plus complexes

Les chercheurs ont également démontré que l’approche à commutateurs multiples pourrait être utilisée pour doubler la production d’acide salicylique chez E. coli, un élément constitutif de nombreux médicaments. Ce processus pourrait également contribuer à améliorer les rendements de tout autre type de produit où les cellules doivent trouver un équilibre entre l’utilisation d’intermédiaires pour la formation du produit ou leur propre croissance, explique Prather. Les chercheurs n'ont pas encore démontré que leur méthode fonctionnait à l'échelle industrielle, mais ils travaillent à élargir l'approche à des voies plus complexes et espèrent la tester à plus grande échelle dans le futur.

« Nous pensons que cela a certainement une applicabilité plus large », déclare Prather. « Le processus est très robuste car il ne nécessite pas la présence de quelqu'un à un moment donné pour ajouter quelque chose ou pour apporter quelque ajustement que ce soit au processus, mais permet aux cellules de garder une trace en interne du moment propice pour faire un changement. »

La recherche a été financé par la National Science Foundation.