Du synthétique au réel

Inaugurée en 2017 à l’aide d’une subvention de 2,4 millions de dollars de la Fondation canadienne pour l’innovation, la fonderie de génomes réside au Centre de biologie synthétique appliquée. Comme le centre, la fonderie est la première installation en son genre au Canada. Plateforme partagée, elle rassemble des équipes interdisciplinaires issues de la biologie, de la biochimie, du journalisme, de la communication ainsi que du génie électrique, informatique, mécanique, industriel et chimique.

En 2012, le P^r Martin a cofondé le Centre de biologie synthétique appliquée avec Nawwaf Kharma (M. Sc. 2016), professeur agrégé au Département de génie électrique et informatique. Les P^rs Martin et Kharma sont également codirecteurs du centre. « Dans les années à venir, nous voulons que la fonderie de génomes devienne une plateforme provinciale, voire nationale, qui invitera les gens d’ailleurs à venir bâtir leurs génomes », explique le P^r Martin.

Comme le décrit le site Web du Centre de biologie synthétique appliquée, la biologie synthétique est la modification génétique de microorganismes en vue « de concevoir et de réaliser des systèmes biologiques bénéfiques à la société ». Si ses applications sont nombreuses, la biologie synthétique permet notamment aux scientifiques de « sortir des sentiers tracés par la nature afin de proposer des solutions inédites, par exemple en combattant les infections et les agents pathogènes grâce aux vaccins et aux antibiotiques », mentionne le P^r Martin. Parmi les autres champs d’application du domaine figurent la protection de l’environnement, la fabrication durable, l’agriculture et la production alimentaire.

« Le génome est on ne peut plus complexe – il se compose de dizaines de milliers de gènes, souligne le chercheur, également titulaire de la chaire de recherche de l’Université Concordia en génie microbien et en biologie synthétique. Le problème est donc beaucoup trop compliqué pour que quelques personnes suffisent à le résoudre. C’est pourquoi nous avons besoin de robots, de machines et d’une grande puissance informatique. C’est l’un des aspects de la fonderie que nous développons. »

Le P^r Martin rapporte que Michael Hallett, professeur au Département de biologie nouvellement recruté par le centre, explorera l’apprentissage machine et l’intelligence artificielle. « En générant assez de données sur le fonctionnement des divers composants du génome, on peut commencer à faire des prévisions et des extrapolations au sujet de modifications particulières du génome et des résultats probables, ajoute le P^r Martin. Nous tentons de créer un système que l’on peut adapter et de produire suffisamment de données pour le rendre prévisible. »

Or, la biologie ne favorise actuellement pas cette démarche et requiert plutôt une approche par tâtonnement.

Recréer l’ADN

C’est dans ce tâtonnement que l’automatisation, les systèmes et le génie peuvent devenir utiles. « Le moment est venu d’industrialiser le génie génétique. Nous l’avons fait pour l’acier, l’automobile, l’ordinateur… C’est ce que font les ingénieurs : à l’aide de techniques et de méthodes, ils conçoivent des modèles afin de s’assurer que chaque fois qu’ils bâtissent un pont, celui-ci ne s’écroulera pas, que chaque fois qu’ils construisent une voiture, celle-ci fonctionnera correctement. C’est cette discipline que nous voulons insuffler à la biologie et aux génomes », affirme Vincent Martin.

« Après avoir manipulé des puces informatiques, des engrenages et des boutons pour construire une voiture, nous allons maintenant recréer l’ADN. »

À la fonderie des génomes, c’est exactement ce que fait Aashiq H. Kachroo, professeur adjoint au Département de biologie. Il s’efforce en effet de réaliser des systèmes biologiques humains « dans de simples cellules comme celles de la levure de boulangerie ». Selon lui, ses travaux pourraient servir « à comprendre les fondements de la biologie, comme l’évolution, et aux sciences appliquées, comme la lutte contre les maladies ».

Arrivé à Concordia en 2017, le P^r Kachroo se spécialise dans l’humanisation des systèmes génétiques de la levure. « La fonderie des génomes est à mon avis l’endroit idéal pour créer des systèmes biologiques humains axés non pas sur un seul gène, mais sur de multiples gènes, explique-t-il. Jusqu’à présent, nous avons remplacé un gène humain à la fois. Notre prochain défi est de bâtir des complexes élargis, 30 à 40 gènes à la fois. Or, la fonderie sera des plus utiles afin d’assembler ces systèmes, car elle est dotée de robots qui nous permettront d’effectuer le processus nettement plus vite et à une bien plus grande échelle. »

Les scientifiques s’entendent sur les nombreux avantages d’une telle vitesse. David Kwan est professeur adjoint au Département de biologie et affilié au Centre de biologie synthétique appliquée ainsi qu’au Centre de génomique structurale et fonctionnelle. Il souligne que l’automatisation de la fonderie permet aux chercheurs de mener potentiellement des milliers d’expériences en même temps. Un processus beaucoup plus rapide que la méthode classique qui consistait à le faire « à la main sur la table de labo », explique le scientifique, arrivé à Concordia en 2016. Une grande partie du labeur monotone et répétitif de la recherche s’en trouve supprimée, ce qui laisse chercheurs et étudiants libres d’élaborer de nouvelles idées et manières d’appliquer ces techniques et ces approches, et profite ainsi aux objectifs élargis des expériences. »

« La conception de souches représente un effort considérable qui implique beaucoup d’essais et d’erreurs, affirme Steve Shih, chercheur au Centre de biologie synthétique appliquée et professeur adjoint au Département de génie électrique et informatique. Après avoir construit un circuit, on le teste. Dans le cas d’une cellule, on doit aller dans le code, tester la cellule, voir si le résultat obtenu est celui qu’on désire et, sinon, revenir à la case départ et réécrire le code. Avec tout son équipement, la fonderie nous permet d’automatiser le processus. »

Combler l’écart

La fonderie des génomes encourage également la collaboration. « La fonderie favorise les formations scientifiques interdisciplinaires comme la mienne, explique Steve Shih, également entré au service de Concordia en 2016. Nous comblons l’écart entre le génie, la biologie, la chimie et la physique; tous les domaines des sciences et du génie sont rassemblés à la fonderie. Je peux converser avec un biologiste ou poser une question à un chimiste en tout temps. Bref, c’est un endroit très spécial et fort sympathique, où les scientifiques peuvent se retrouver. » Il estime aussi que la fonderie est propice aux collaborations, donnant pour exemple un nouveau projet de rédaction d’ADN sur lequel Vincent Martin, David Kwan et lui commencent à travailler.

Le P^r Kwan est du même avis. « Le fait d’avoir un lieu où des esprits issus de diverses disciplines peuvent se réunir et partager de telles ressources, des gadgets branchés et des instruments haute technologie incite beaucoup à la collaboration, au rassemblement et à la coopération », affirme-t-il.

Un effort conjoint des P^rs Kwan et Shih fournit un autre exemple. Leur projet d’infrastructure combine génie et biologie dans le but de mettre au point une technologie d’automatisation portative. « Nous étudions plus particulièrement les sucres liés au cancer », précise le P^r Shih.

Au-delà de ce projet, les champs d’intérêt du P^r Shih comprennent la production de biocarburant, les facteurs génétiques expliquant le cancer et l’accélération du cycle biologique synthétique.

Les recherches menées dans son laboratoire de microfluidique ont des applications dans les domaines de la santé et de l’énergie.

« La microfluidique est essentiellement une technologie de laboratoire sur puce. Le laboratoire scientifique classique contient des tables de travail, des béchers et un tas de chercheurs qui s’affairent à diverses expériences. Imaginez à présent qu’on miniaturise le tout sur un dispositif de la taille d’une carte de crédit. Ainsi, on peut intégrer tous les processus biologiques ou chimiques menés en laboratoire à une échelle miniature », explique-t-il.

« En labo, j’avais l’habitude d’essayer de faire une ou peut-être deux expériences à la fois. Mais maintenant, avec ce dispositif, on peut en faire des milliers, voire des millions à la fois si l’on trouve des design vraiment ingénieux. »

Multiplier les avantages

L’échelle miniature de la microfluidique comporte d’autres avantages. « Par exemple, en adoptant cette approche, on peut suivre et analyser les cellules cancéreuses, et les observer sous l’angle génétique », souligne Steve Shih.

« Nous sommes d’ailleurs en train de rédiger une publication où nous expliquons comment nous pourrions pénétrer les cellules cancéreuses, éliminer certains gènes liés au cancer et prévenir la croissance de ces cellules ».

L’utilisation de la microfluidique dans le but d’accélérer le cycle biologique synthétique constitue une autre application dont le chercheur est particulièrement fier. « Nous pourrions concevoir une cellule, c’est-à-dire y pénétrer pour modifier le code de l’ADN ou écrire un code particulier afin d’obtenir un produit précieux comme un biocarburant, possiblement une substance biochimique, ou même un traitement inédit comme un antibiotique spécialisé. Il existe tellement de variations du code génétique – quelque trois milliards – lorsqu’on veut créer un médicament particulier à partir d’une cellule bactérienne. Imaginez que votre patron vous demande d’essayer de trouver la combinaison parfaite. La tâche serait impossible! Nous avons donc recours à la microfluidique pour tenter d’automatiser le processus », affirme-t-il

« Idéalement, on pourrait évaluer rapidement et facilement toutes les différentes combinaisons en moins d’un jour ou deux », conclut le P^r Shih.

Quant à David Kwan, son intérêt pour la biologie synthétique l’amène à se demander si l’on peut concevoir des systèmes biologiques afin de produire des médicaments, des biocarburants, des substances biorenouvelables ou des produits courants comme les plastiques, qui ne sont habituellement pas fabriqués de manière durable.

Il se concentre notamment sur le perfectionnement des protéines, « pour en faire des outils de précision ». Il conçoit ainsi des enzymes, soit des protéines qui catalysent des réactions chimiques. « Il s’agit de protéines encodées dans des gènes provenant de la nature, qui ont évolué naturellement dans le but d’aider les organismes d’où elles proviennent à survivre, explique-t-il. Nous pouvons essayer de copier ce que fait la nature et de recréer l’évolution en laboratoire afin de perfectionner ces protéines dans le cadre de nos systèmes biologiques synthétiques. Pour ce faire, nous modifions les gènes qui codent pour ces protéines en vue de faire évoluer celles-ci. »

Vincent Martin s’attend à ce que le prochain grand bond dans le secteur international de la biologie synthétique soit la synthèse du génome humain. Il mentionne un projet de recherche majeur en cours aux États-Unis, baptisé Genome Project-write ou GP-write. « Ils tentent de relever le grand défi du séquençage du génome humain, c’est-à-dire de synthétiser le génome à partir de rien », affirme le chercheur.

« Le défi en question réside dans la manière de s’y prendre, en tenant compte des aspects technologiques, éthiques et autres. »

Inaugurée en 2017 à l’aide d’une subvention de 2,4 millions de dollars de la Fondation canadienne pour l’innovation et d’un financement supplémentaire du Fonds de soutien à la recherche du gouvernement du Canada, la fonderie de génomes réside au Centre de biologie synthétique appliquée. Comme le centre, la fonderie est la première installation en son genre au Canada. Plateforme partagée, elle rassemble des équipes interdisciplinaires issues de la biologie, de la biochimie, du journalisme, de la communication ainsi que du génie électrique, informatique, mécanique, industriel et chimique.

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