©2019 BY LAURENT POTVIN-TROTTIER

RECHERCHE

Le domaine de la biologie synthétique, consistant en l’ingénierie de systèmes biologiques dans le but d’obtenir des fonctions spécifiques, mène à une diversité d’applications prometteuses. Par exemple, des microorganismes peuvent être manipulés afin de produire des substances difficiles à synthétiser, ou des cellules manipulées pour détecter et répondre au niveau de glucose en secrétant de l’insuline. La biologie synthétique, de par la fabrication de circuits génétiques basés sur des composants moléculaires bien caractérisés, permet également de mieux comprendre la biologie. Ces circuits minimalistes génèrent un contexte simple où nous pouvons contrôler tous les composants ainsi que leurs interactions (comme une platine de prototypage électronique), en plus de créer des perturbations afin de sonder les systèmes biologiques. En utilisant des approches inspirées de la physique, ces modèles minimalistes peuvent ainsi générer des concepts généraux en biologie.

Les objectifs de recherche du laboratoire consistent en l’ingénierie de circuits synthétiques robustes spécifiquement adaptés à des applications, et de les utiliser comme modèles et outils pour mieux comprendre la biologie.

Voir ci-dessous une sélection des intérêts de recherche ainsi qu’un exemple de l’approche.

ENCODAGE DES SIGNAUX

Les cellules utilisent des signaux moléculaires pour transmettre de l’information à propos de leur environnement ou pour communiquer entre elles. Il a été récemment démontré que beaucoup de ces signaux ne sont pas simplement binaires et statiques, mais que l’information peut être encodée dans la dynamique du signal. Par exemple, exposer des cellules à différents environnements peut résulter en des niveaux de protéines pulsant à différentes fréquences, menant ultimement à différents programmes cellulaires (voir schéma plus bas). Les circuits synthétiques génétiques consistent en un modèle simple d’encodeurs et décodeurs de signaux, en plus d’être des outils prometteurs pour sonder l’encodage des signaux biologiques.

COMMUNAUTÉ DE MICROORGANISMES

Les microorganismes sont typiquement étudiés en isolation, malgré le fait qu’ils vivent typiquement dans des écosystèmes complexes où de nombreuses espèces sont présentes, tels que des biofilms ou dans les intestins humains. Le regroupement de microorganismes vivant sur des surfaces humaines (le microbiote humain) joue de nombreux rôles dans le fonctionnement normal et anormal, incluant par exemple la synthèse de vitamines ainsi que certaines maladies inflammatoires de l’intestin. Par contre, ces communautés sont complexes et difficiles à étudier. Reconstruire des écosystèmes synthétiques sous des conditions contrôlées nous aiderait à comprendre les principes de fonctionnement de ces communautés, ainsi qu'à définir les bases pour en faire l’ingénierie en vue d’applications spécifiques.

INTÉRÊTS DE RECHERCHE SÉLECTIONNÉS

EXEMPLE DE L'APPROCHE

Les circuits génétiques synthétiques créés jusqu’à présent sont capables d’exécuter une multitude de tâches, mais leur précision est inférieure à celle des circuits naturels, comme l’horloge circadienne des cyanobactéries. Le premier oscillateur synthétique, le “repressilator”, utilise un design simple, où trois gènes inhibent leur production en une seule boucle de rétroaction. Toutefois, les oscillations ainsi créées ne sont présente que dans une fraction des cellules avec des amplitudes et périodes variables. Les oscillateurs subséquents ont introduit plusieurs fonctionnalités qui ont amélioré marginalement la qualité des oscillations, mais le design reste basé sur des analyses d’équations différentielles qui ignorent les défis posés par la chimie stochastique. Nous avons utilisé une approche différente en retournant au design originel pour l'étudier, cette fois, en utilisant de la théorie tenant compte de la chimie stochastique et une quantification à l’aide d’une puce microfluidique permettant d’imager des centaines de bactéries pour des centaines de générations sous des conditions contrôlées (Potvin-Trottier et al. Nature 2016).

 

 

 

 

 

 

Ceci nous a permis de trouver et éliminer systématiquement les sources de bruits dans le circuit. Le circuit simplifié final oscille avec une période de 14 générations cellulaires, et la dérive de phase est si basse qu’il faut plus de 200 divisions avant d’accumuler une demi-période d’erreur de phase. Le circuit maintient sa période de 14 générations dans une multitude de conditions, telles que différentes températures ainsi qu’en milieu de croissance conditionné au début de la phase stationnaire. La combinaison de la robustesse aux conditions de croissance et de la précision en phase permet à des flasques de cellules d’osciller en synchronie, même sans couplage entre les cellules. Ces résultats démontrent que même les circuits synthétiques les plus simples peuvent atteindre une précision rivalisant avec les systèmes naturels, tant que la théorie stochastique est utilisée dans le design. Cette condition est particulièrement importante pour les circuits synthétiques qui, contrairement aux circuits naturels, n’ont pas été façonnés par l’évolution.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Notre recherche est financée par: