Synthetic Metabolic Circuits for Bioproduction, Biosensing and Biocomputation

Circuits métaboliques synthétiques pour la bioproduction, la biodétection et le biocalcul La biologie synthétique est le domaine de la bioingénierie permettant de concevoir, de construire et de tester de nouveaux systèmes biologiques en réécrire le code génétique. Les circuits biologiques synthétiques sont des outils sophistiqués permettant de construire des réseaux biologiques pour des applications médicales, industrielles et environnementales. Cette thèse de doctorat porte sur le développement de voies métaboliques synthétiques conçues à l'aide d'outils informatiques. Ces voies métaboliques sont intégrées à la couche de régulation transcriptionnelle pour développer des biocircuits pour la bioproduction, la biodétection et la biocalcul dans des systèmes cellulaires et acellulaires. Les résultats obtenus durant cette thèse de doctorat révèlent le nouveau potentiel des voies métaboliques dans l'établissement de biocircuits synthétiques. Le volet bioproduction-biodétection de la thèse vise à développer un nouveau biocapteur pour un sucre rare utilisé pour améliorer l'activité catalytique d’enzyme dans la cellule (in vivo). Ce biocapteur a ensuite été implémenté dans un système acellulaire (in vitro) pour découvrir et optimiser le comportement de biocapteurs à base de répresseurs. Une fois optimisé en système acellulaire, notre biocapteur a été utilisé pour surveiller la production enzymatique de sucre rare. Le développement de biocapteurs procaryotes acellulaires, qui reposent principalement sur des répresseurs, permet d'accélérer et de rendre plus efficace le cycle “design-build-test” dans le prototypage des voies métaboliques dans les systèmes acellulaires. L'application de la biodétection des circuits métaboliques pour le diagnostic est la mise en œuvre et l'optimisation des transducteurs métaboliques dans le système acellulaire. Les transducteurs sont des voies métaboliques composées d'au moins une enzyme catalysant un métabolite indétectable en un inducteur transcriptionnel, augmentant ainsi le nombre de petites molécules biologiquement détectables. En tant que nouvelle approche pour effectuer des biocalculs, des circuits métaboliques ont été appliqués pour construire des additionneurs métaboliques et des perceptrons métaboliques. Dans la cellule, trois transducteurs métaboliques et un additionneur métabolique ont été construits et caractérisés. Les systèmes acellulaires permettent d’accélérer la caractérisation de circuits biologiques, de finement régler le niveau d’expression d’un ou plusieurs gènes et facilite l’expression de plusieurs plasmides simultanément. Ceci a permis de construire de multiples transducteurs pondérés et des additionneurs métaboliques. Le modèle basé sur des données expérimentales a permis de concevoir un perceptron métabolique pour construire des classificateurs binaires à quatre entrées. Les additionneurs, perceptrons et classificateurs peuvent être utilisés dans des applications avancées telles que la détection de précision et dans le développement de souches pour le génie métabolique ou la thérapeutique intelligente.