La biologie synthétique, science de l’utile

Pascaline David Collaboration spéciale
Les micro-organismes produisent des molécules à l’aide d’une série d’enzymes, que  le chercheur tente d’isoler afin d’en fabriquer synthétiquement pour remplacer  la chimie conventionnelle basée sur  le pétrole.
Getty Images / iStockphoto Les micro-organismes produisent des molécules à l’aide d’une série d’enzymes, que le chercheur tente d’isoler afin d’en fabriquer synthétiquement pour remplacer la chimie conventionnelle basée sur le pétrole.

Ce texte fait partie d'un cahier spécial.

Domaine scientifique en pleine émergence et dont les possibilités semblent illimitées, la biologie synthétique implique la modification génétique de micro-organismes pour les utiliser à des fins médicales ou environnementales. Chercheur au Centre de biologie synthétique appliquée de l’Université Concordia, David Kwan s’intéresse au rôle des enzymes dans la production de médicaments et de biocarburants.

La biologie synthétique est « l’ingénierie de la biologie pour créer des choses utiles », selon Stephen Chambers, p.-d.g. de SynbiCITE, un centre britannique qui promeut l’adoption et l’utilisation de la biologie synthétique par l’industrie. « En général, elle implique d’utiliser des composants d’organismes vivants pour concevoir des systèmes biologiques remplissant de nouvelles fonctions, et qui pourront être bénéfiques pour la société », explique David Kwan. Par exemple, il est possible de modifier les gènes des micro-organismes pour produire des médicaments, des produits chimiques, des biocarburants ou encore des microbes qui peuvent nettoyer les toxines ou les polluants.

Dans son laboratoire, M. Kwan et son équipe se concentrent plus particulièrement sur les protéines qui agissent comme des mécanismes de la « machinerie moléculaire des cellules ». Les enzymes, par exemple, sont des protéines qui permettent toutes sortes de réactions chimiques à l’intérieur des cellules en opérant comme des catalyseurs.

Nombre de médicaments offerts sur le marché sont en fait des molécules produites par des micro-organismes. « C’est particulièrement vrai pour les antibiotiques, mais nous utilisons aussi certaines de ces molécules comme médicaments anticancéreux, précise David Kwan. Dans certains cas, elles sont chimiquement modifiées après avoir été isolées des micro-organismes qui les produisent afin d’améliorer leur efficacité ou d’atténuer leurs effets secondaires. »

Dans la nature, les micro-organismes produisent des molécules à l’aide d’une série d’enzymes. « Si nous arrivons à fabriquer ces enzymes, les cellules pourraient alors se modifier naturellement et nous n’aurions plus besoin d’utiliser la chimie conventionnelle », postule le chercheur. Cela aurait le potentiel de rendre la production de médicaments bien plus efficace.

Venir à bout des bactéries

Une autre partie des travaux du chercheur porte sur le ciblage des enzymes présents dans les bactéries infectieuses qui permettent de construire leurs parois cellulaires. Plus particulièrement, son équipe étudie un type d’enzymes qui forme les composants glucidiques des surfaces cellulaires bactériennes. « Notre objectif est d’identifier les médicaments qui vont les désactiver et tuer les bactéries comme la Mycobacterium tuberculosis [Mtb] », indique-t-il.

Mycobacterium tuberculosis, le pathogène responsable de la tuberculose, est actuellement la principale cause de décès par maladie infectieuse. Le bilan s’élève à environ 1,6 million de personnes par année. Deux des préoccupations majeures sont que le nombre de médicaments pouvant être utilisés pour la traiter est limité, tandis que les souches résistantes aux médicaments sont, elles, de plus en plus nombreuses. « Il est donc important de pouvoir développer des méthodes pour trouver de nouveaux types de médicaments en ciblant des enzymes précis dans les bactéries », estime David Kwan.

L’augmentation de la résistance aux médicaments est une préoccupation non seulement pour le Mtb, mais aussi pour d’autres bactéries infectieuses, selon le chercheur. « Nous espérons donc que lesstratégies élaborées à partir de nos travaux pourront être appliquées pour trouver des traitements contre d’autres bactéries », ajoute-t-il.

Automatiser les méthodes

En 2017, Kwan ainsi que le professeur et chercheur Steve Shih ont reçu plusieurs subventions, dont l’une de la Fondation canadienne pour l’innovation, pour poursuivre un projet d’infrastructure visant à intégrer la robotique à leurs travaux de recherche. Le but principal de ces instruments est de permettre de réduire le temps nécessaire à la réalisation de certaines expériences par l’automatisation d’équipements. Ultimement, il s’agirait de trouver de meilleures méthodes pour mettre au point des biocarburants et des vaccins. « L’équipement réalise en une journée ce qui peut normalement prendre jusqu’à plusieurs mois », indique David Kwan.

Une grande partie du matériel complète les instruments robotiques de la Biofonderie de Concordia, qui a récemment reçu un soutien supplémentaire pour agrandir considérablement son infrastructure. Il est actuellement utilisé pour faire avancer de nombreux projets. Le laboratoire de David Kwan s’en est d’ailleurs servi pour mener à bien le travail récemment publié sur l’élaboration d’outils et de stratégies visant à trouver des médicaments anticancéreux. « Ces médicaments ciblent des enzymes précis dans les cellules tumorales responsables de la modification de la surface des cellules », explique-t-il.

L’ingénierie des enzymes possède aussi un important potentiel d’application dans le domaine environnemental. Avec son équipe, M. Kwan se penche sur la création de solutions de rechange aux produits pétroliers, à l’aide du même processus. « Nous cherchons actuellement des façons de produire des produits chimiques précieux à partir de la biomasse plutôt que du pétrole, car ce sera plus durable et plus écologique », précise-t-il.

L’un des gros défis dans la création de molécules synthétiques est de faire en sorte que les nouvelles méthodes soient plus efficaces et plus économiques que la production des mêmes molécules, mais à partir du pétrole. Son laboratoire travaille ainsi à l’amélioration de ces méthodes par l’ingénierie des enzymes et des voies enzymatiques dans les micro-organismes.

L’émergence d’un domaine

Après ses études secondaires, David Kwan a étudié la biochimie et la biologie moléculaire à l’Université de la Colombie-Britannique, avant de poursuivre au doctorat dans le même domaine, à l’Université de Cambridge. Plus jeune, le fait d’imaginer comment les nouvelles technologies pourraient façonner l’avenir l’enthousiasmait, et c’est encore ce qui motive ses recherches aujourd’hui au sein du Centre de biologie synthétique appliquée.

Inauguré en 2012, le centre s’est donné pour mandat de proposer des solutions inédites en matière de protection de l’environnement, de fabrication durable, d’agriculture, de production alimentaire et de développement de médicaments.

Et il n’est pas le seul, puisque l’accroissement de l’intérêt pour la biologie synthétique est exponentiel depuis une dizaine d’années. L’an passé, le premier forum national consacré à ce domaine de recherche, nommé « Canada Synbio 2018 », s’est tenu au MaRS Discovery District à Toronto, en Ontario. Cet événement a été organisé conjointement par divers intervenants de la communauté de la biologie synthétique dans le but de promouvoir un dialogue national sur l’avenir de la biologie synthétique au Canada.