Construction de réseaux métaboliques hors équilibre dans des vésicules de taille nanométrique et micrométrique
12 avril 2024
Nous présentons un protocole pour reconstituer les protéines membranaires et encapsuler des enzymes et d’autres composants solubles dans l’eau dans des vésicules lipidiques de taille submicrométrique et micrométrique.
Aux Pays-Bas, le consortium BaSyC vise à construire des cellules synthétiques à partir de composants moléculaires. Le consortium BaSyC est composé de groupes de recherche allant de la biologie moléculaire à la chimie, en passant par la physique et les sciences informatiques. L’objectif de ce consortium est de créer un système auto-réplicatif capable de croissance autonome, de transmission d’informations et de division.
Et nous nous concentrons actuellement sur la construction de réseaux moléculaires qui sont intégrés vers des systèmes moléculaires plus complexes. Les développements récents en biologie synthétique comprennent l’ingénierie de modules pour les fonctions cellulaires, leur intégration dans des réseaux complexes pour des applications dans le diagnostic, la thérapie, l’immunologie synthétique et les matériaux adaptatifs. Ces progrès s’étendent à des groupes en Europe, en Amérique et en Asie, faisant progresser à la fois les approches descendantes et ascendantes de la construction de cellules synthétiques.
Les technologies actuelles dans notre domaine comprennent les méthodes d’ingénierie et d’évolution pour construire et optimiser les réseaux métaboliques. Nous utilisons l’IA pour la sélection moléculaire et des techniques biochimiques et biophysiques avancées pour l’isolement des composants et la formation de réseaux. Nous utilisons également la reconstitution membranaire, l’encapsulation physique et la visualisation par spectroscopie fluorescente et microscopie.
Avec l’intégration des modules, le nombre de protéines membranaires et d’enzymes augmente énormément, ce qui pose des contraintes sur nos technologies de reconstitution et d’encapsulation. L’encapsulation stochastique devient un problème avec les vésicules de taille submicronique, et l’efficacité de la formation de vésicules de taille micrométrique diminue lorsque plusieurs protéines membranaires sont reconstituées dans la membrane lipidique. À Groningue, nous avons développé des réseaux métaboliques pour la production d’ATP et le maintien d’un état de déséquilibre par l’alimentation en substrat et l’exportation de produits.
De plus, nous avons lié le recyclage de l’ATP à la synthèse et à l’excrétion de précurseurs lipidiques, permettant aux vésicules secondaires de produire des lipides, ce qui constitue une avancée significative dans notre domaine.
Aperçu
Cet article présente un protocole pour la construction de cellules synthétiques à partir de composants moléculaires, en mettant l'accent sur la reconstitution de protéines membranaires et l'encapsulation d'enzymes dans des vésicules lipidiques. La recherche vise à développer des systèmes capables de réplication autonome, de croissance et de transmission d'information.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Biologie synthétique
- Biologie moléculaire
- Biochimie
Contexte
- Le consortium de base aux Pays-Bas est composé de groupes de recherche divers.
- Les recherches couvrent la biologie moléculaire, la chimie, la physique et les sciences computationnelles.
- Objectif centré sur la construction de réseaux moléculaires pour des systèmes complexes.
- Les avancées récentes incluent l'ingénierie de modules pour les fonctions cellulaires.
Objectif de l'étude
- Créer des cellules synthétiques capables de se répliquer et de croître de manière autonome.
- Intégrer des composants moléculaires dans des réseaux complexes.
- Explorer des applications dans le diagnostic, la thérapie et les matériaux adaptatifs.
Méthodes utilisées
- Reconstitution de protéines membranaires.
- Encapsulation d'enzymes dans des vésicules lipidiques.
- Approches descendantes et ascendantes de la construction de cellules synthétiques.
- Collaboration entre des groupes de recherche internationaux.
Résultats principaux
- Encapsulation réussi de composants hydrosolubles dans des vésicules lipidiques.
- Développement d'un protocole pour la construction de cellules synthétiques.
- Intégration de modules conçus dans des réseaux fonctionnels.
- Progrès vers des systèmes de croissance autonomes.
Conclusions
- L'étude contribue au domaine de la biologie synthétique.
- Elle met en évidence le potentiel de création de systèmes autoréplicatifs.
- Des applications futures pourraient révolutionner le diagnostic et la thérapie.
Questions fréquemment posées
Pertinence sectorielle pour les professionnels
La reconstitution de réseaux métaboliques complexes dans des vésicules de taille nanométrique et micrométrique permet une modélisation précise de processus biologiques hors équilibre, soutenant la validation précoce de cibles et la réduction des risques mécanistiques en biologie synthétique. Cette approche offre une plateforme évolutible pour intégrer des protéines membranaires, des enzymes et des capteurs, facilitant une confiance prédictive dans l'ingénierie des voies métaboliques et leur reconstitution fonctionnelle. La méthode est stratégiquement placée pour accélérer la découverte et la recherche translationnelle en permettant une analyse quantitative en temps réel de l'activité métabolique dans des microenvironnements contrôlés.
Applications stratégiques en R&D biopharmaceutique
Découverte précoce et validation de cibles
- Permet l'interrogation de la fonction des voies métaboliques et de l'engagement de la cible dans un système de vésicules contrôlé.
- Permet la détection biologique des risques en reconstituant et en surveillant des réseaux protéiques complexes en dehors des cellules vivantes.
- Facilite la confiance prédictive dans la conception de voies synthétiques grâce à des lectures en temps réel basées sur la fluorescence.
Développement de tests et de criblages
- Fournit des systèmes basés sur des vésicules validés pour la mesure quantitative des rapports ATP/ADP, des concentrations de métabolites et du pH.
- Permet la standardisation et la reproductibilité des tests en utilisant des composants purifiés et des protocoles d'encapsulation définis.
- Facilite le criblage à grande échelle de la performance des réseaux métaboliques et des effets de composés dans des dispositifs microfluidiques.
Recherche translationnelle et préclinique
- Permet l'alignement de réseaux métaboliques synthétiques avec des voies biochimiques pertinentes pour la maladie, afin de modéliser des applications translationnelles.
- Assure une continuité allant de la découverte à la validation préclinique en augmentant le volume des bioréacteurs vésiculaires et en intégrant des analyses optiques.
- Offre une détection mécanistique des risques pour l'ingénierie des voies métaboliques avant les études in vivo.
Intégration du pipeline et du flux de travail
Cette méthode basée sur des vésicules permet de relier la découverte précoce, le développement de tests et la recherche translationnelle en permettant la construction modulaire et l'analyse en temps réel de réseaux métaboliques.
- Biologie de la découverte : Facilite la vérification d'hypothèses et la clarification des voies métaboliques en reconstituant et en surveillant des circuits métaboliques synthétiques.
- Criblage : Fournit des résultats reproductibles et quantitatifs concernant la production d'ATP et le flux de métabolites dans les systèmes de vésicules.
- Analytique : Offre des mesures basées sur la fluorescence permettant l'analyse comparative des performances des réseaux et l'optimisation des conditions.
- Recherche translationnelle : Permet la modélisation préclinique de processus métaboliques dans des formats de vésicules évolutifs et compatibles avec la microfluidique.
- Réutilisation en entreprise : Met en place une plateforme réutilisable pour la conception itérative de réseaux et la validation fonctionnelle dans divers programmes de R&D.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive et réduit l'ambiguïté mécanistique dans la construction de voies synthétiques.
- Valeur opérationnelle : Normalise les protocoles d'encapsulation et de reconstitution pour assurer la reproductibilité et la montée en échelle.
- Valeur stratégique : Permet de prendre des décisions éclairées quant au passage ou non à l'étape suivante et favorise un développement capital-efficient des actifs de biologie synthétique.
- Impact sur le portefeuille : Soutient la priorisation ajustée au risque des réseaux métaboliques conçus en vue de leur développement ultérieur.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en reconstitution de protéines membranaires, encapsulation d'enzymes et analyses de fluorescence.
- Exige un accès à l'ultracentrifugation, au piégeage microfluidique et à des infrastructures de microscopie avancée.
- Implique une standardisation interéquipes des protocoles de préparation des vésicules et des analyses.
- Une adaptation peut être nécessaire pour différents réseaux protéiques ou tailles de vésicules.
- Les défis liés à l'encapsulation stochastique et à l'efficacité augmentent avec la complexité du réseau et l'échelle des vésicules.
F.A.Q. sur la bio-industrie pharmaceutique
Chapters in this video
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Introduction
2:13
Reconstitution of Purified Membrane Proteins into Preformed Liposomes
5:08
Encapsulation of a Metabolic Network for ATP Recycling and Glycerol 3‐P Synthesis in Submicron‐Size Vesicles
7:04
Upscaling a Metabolic Network for Micrometer‐Sized Vesicles
