Comment les modèles informatiques peuvent-ils aider à la conception de communautés microbiennes ? Une équipe de recherche composée de membres d’Aix-la-Chapelle, de Düsseldorf et d’East Lansing/États-Unis a examiné les perspectives de développement de la biologie dite synthétique. article publié dans la revue Biologie synthétiqueils expliquent pourquoi la biologie assistée par ordinateur a un rôle important à jouer.
Les communautés de micro-organismes – bactéries, champignons et virus – sont présentes partout dans les organismes. Elles remplissent diverses fonctions. Par exemple, la communauté microbienne de l’intestin humain, appelée microbiome, est essentielle au métabolisme. Les micro-organismes sont nécessaires pour débloquer de nombreux nutriments et les rendre disponibles pour l’organisme. Une composition incorrecte du microbiome peut entraîner des dommages importants pour l’organisme dans son ensemble.
Le domaine de recherche interdisciplinaire de la « biologie synthétique » s’intéresse de plus en plus à ces réseaux microbiens. L’objectif est de concevoir et de construire de nouveaux systèmes et organismes biologiques capables d’exécuter des fonctions spécifiques à l’aide de principes d’ingénierie. Les méthodes de génie génétique permettent de modifier et de transférer l’ADN et l’ARN entre différents organismes.
La biologie synthétique s’est initialement concentrée sur les organismes synthétiques individuels, mais son potentiel pour concevoir des réseaux très complexes tels que des communautés artificielles d’organismes (synthétiques) devient de plus en plus évident.
Ces communautés artificielles offrent un large éventail de domaines d’application potentiels, notamment l’atténuation des maladies, l’augmentation de la productivité des cultures ou la production de biomolécules précieuses.
Les chercheurs du CRC1535 « MibiNet » se sont inspirés des lichens naturels, dans lesquels des cyanobactéries ou des algues phototrophes établissent une relation symbiotique étroite avec des partenaires fongiques hétérotrophes. Ils souhaitent développer le réseau microbien mis en évidence ici comme exemple pour des applications futures.
Les résultats de la recherche doivent contribuer à la mise au point de méthodes et de technologies interdisciplinaires pour les processus négatifs en CO2, c’est-à-dire les processus qui captent activement le CO2 de l’atmosphère. Dans le cadre d’un autre projet de recherche, ACCeSS, l’objectif est d’exploiter l’énergie solaire pour traiter les eaux usées.
Dans cet article, des chercheurs de l’Université de technologie d’Aix-la-Chapelle (RWTH), de l’Université de technologie d’Hanoï (HHU) et de l’Université d’État du Michigan (MSU) à East Lansing aux États-Unis décrivent cette orientation future du développement de la biologie synthétique. Ils soulignent le rôle de la biologie computationnelle en tant que composante intégrale, qui peut grandement simplifier la conception de communautés artificielles.
La professeure Ilka Axmann de l’HHU, auteure correspondante de l’étude, déclare : « Nous proposons un changement de perspective, passant d’approches centrées sur un seul organisme à une mise en valeur des contributions fonctionnelles des organismes au sein de la communauté. »
En ce qui concerne l’approche de la recherche, elle ajoute : « L’accent est mis sur la fonction que la communauté dans son ensemble doit remplir. Peu importe quels organismes spécifiques elle contient : les organismes ne sont que le châssis contenant les voies métaboliques nécessaires, assurant les rôles fonctionnels requis. »
Le Dr Daniel C. Ducat, professeur de biochimie et de biologie moléculaire à la MSU, déclare : « Un nombre croissant d’exemples montrent que, bien que la composition spécifique des espèces de communautés microbiennes complexes puisse changer au fil du temps ou à différents endroits, les fonctions spécifiques de la communauté sont stables à plus grande échelle. »
Dr. Anna Matuszyńska, auteur principal de l’étude et professeur junior de sciences de la vie computationnelles à RWTH, déclare : « La biologie computationnelle peut aider à soutenir la modularisation en biologie synthétique, ce qui est souhaitable car cela réduirait la complexité et créerait des cadres polyvalents et évolutifs qui peuvent être adaptés à des fonctions spécifiques au sein des communautés biologiques.
« Grâce à des modèles mathématiques, nous pouvons prédire et optimiser de tels systèmes afin de garantir leur fonctionnement fiable et efficace. L’objectif est d’utiliser cette « conception in silico » dès les premières étapes du développement d’une communauté synthétique. »
Plus d’informations :
Anna Matuszyńska et al., Une nouvelle ère de la biologie synthétique : la conception de communautés microbiennes, Biologie synthétique (2024). DOI: 10.1093/synbio/ysae011