Les plasmides sont largement utilisés en biologie fondamentale et appliquée. Ces petites molécules d’ADN circulaires sont utilisées par les scientifiques pour introduire de nouveaux gènes dans un organisme cible. Bien connus pour leurs applications dans la production de protéines thérapeutiques comme l’insuline, les plasmides sont largement utilisés dans la production à grande échelle de nombreux bioproduits.
Cependant, la conception et la construction de plasmides restent l’une des étapes les plus longues et les plus laborieuses de la recherche en biologie.
Pour résoudre ce problème, Behnam Enghiad, Pu Xue et d’autres chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign du Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) ont développé une plate-forme polyvalente et automatisée pour la conception et la construction de plasmides appelée PlasmidMaker. Leurs travaux ont récemment été publiés dans Communication Nature.
La création d’un plasmide commence par la conception. Pour faciliter ce processus de conception, PlasmidMaker dispose d’une interface Web conviviale avec laquelle les chercheurs peuvent visualiser et assembler intuitivement le plasmide parfait pour leurs besoins.
Une fois le plasmide conçu, il est soumis à l’équipe PlasmidMaker et une commande du plasmide est passée à l’Illinois Biological Foundry for Advanced Biomanufacturing (iBioFAB), où le plasmide sera construit. iBioFAB, situé à l’Institut Carl R. Woese de biologie génomique (IGB) sur le campus de l’U de I, est une infrastructure informatique et physique entièrement intégrée qui prend en charge la fabrication rapide, le contrôle de la qualité et l’analyse des constructions génétiques. Il comporte un bras robotisé central qui transfère le matériel de laboratoire entre les instruments qui effectuent des opérations distinctes telles que le pipetage, l’incubation ou le thermocyclage.
Le processus de construction du plasmide est automatisé : les échantillons sont préparés par réaction en chaîne par polymérase (PCR) et purification, la séquence d’ADN est assemblée et transformée, et les plasmides sont confirmés et congelés, le tout avec peu d’implication humaine.
En plus de l’automatisation et de la précision offertes par iBioFAB, la plate-forme PlasmidMaker est également pionnière dans une nouvelle méthode hautement flexible pour assembler plusieurs fragments d’ADN dans un plasmide à l’aide d’enzymes de restriction artificielles (ARE) basées sur Pyrococcus furiosus Argonaute (PfAgo).
Les enzymes de restriction sont utilisées depuis longtemps dans la construction de plasmides, car elles peuvent cliver des molécules d’ADN au niveau de séquences spécifiques de bases, appelées séquences de reconnaissance. Cependant, ces séquences de reconnaissance sont généralement courtes, ce qui les rend difficiles à travailler. Une séquence courte est susceptible de se produire plusieurs fois dans une molécule d’ADN, auquel cas l’enzyme de restriction ferait trop de coupures.
« Dans les méthodes d’assemblage d’ADN précédentes, il était souvent difficile de trouver les bonnes enzymes de restriction capables de couper le plasmide et de remplacer les fragments d’ADN », a déclaré Huimin Zhao, co-auteur et titulaire de la chaire Steven L. Miller de génie chimique et biomoléculaire ( ChBE) à l’Illinois. « Les ARE basés sur PfAgo offrent une plus grande flexibilité et précision, car ils peuvent être programmés pour rechercher des séquences de reconnaissance plus longues sur pratiquement n’importe quel site. »
Avec toutes les améliorations qu’il apporte à la table, les membres de l’équipe du CABBI, l’un des quatre centres de recherche sur la bioénergie financés par le Département américain de l’énergie aux États-Unis, espèrent que PlasmidMaker accélérera le développement de la biologie synthétique pour les applications biotechnologiques.
« Cet outil sera disponible pour les chercheurs du CABBI, et nous voulons éventuellement le mettre à la disposition de tous les chercheurs des trois autres centres de recherche sur la bioénergie », a déclaré Zhao. « Si tout se passe bien, nous espérons le mettre à la disposition de tous les chercheurs du monde entier. »
Behnam Enghiad et al, PlasmidMaker est une plate-forme de bout en bout polyvalente, automatisée et à haut débit pour la construction de plasmides, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-30355-y