Développement de circuits métaboliques pour la détection, le diagnostic, la remédiation et le traitement de molécules et pathogènes à risques NRBC

par Mathilde Koch

Projet de thèse en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de Jean-Loup Faulon.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Structure et Dynamique des Systèmes Vivants , en partenariat avec MICALIS- Microbiologie de l'Alimentation au service de la santé humaine (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Projet de thèse : Un des objectifs principaux de la biologie synthétique est le développement de modules permettant de créer des systèmes biologiques ayant des comportements sophistiqués de détection et réponse. Grâce aux profondes similarités entre les mathématiques, la physique et les phénomènes biologiques ainsi que des composants électroniques, des circuits biologiques imitant l'électronique ont vu le jour durant la dernière décennie comme un outil pour concevoir de nouveaux composants biologiques et traiter l'information in vivo. Ce projet de thèse vise à utiliser de récents développements dans les capacités des senseurs biologiques afin de développer des circuits enzymatiques in vivo. D'une part, les circuits analogiques ont déjà été développés pour l'expression de gènes, mais leur dynamique est assez lente. D'autre part, les réactions métaboliques ont servi à développer des circuits digitaux in vivo et in silico, comme des interrupteurs et des portes logiques. Ces circuits sont rapides mais l'aspect digital semble problématique à mettre en place in vivo. L'intérêt de développer des circuits métaboliques est donc double : (i) les variables ne sont pas arbitrairement discrétisées mais peuvent prendre une échelle continue de valeurs, et (ii) les réactions métaboliques sont bien plus rapides que l'expression de gènes, les calculs sont donc accélérés. Le projet va développer des circuits pour deux applications pratiques ayant des impacts sociaux et sociétaux : des thérapies antibactériennes et la détection de composés à risques NRBC. Le plan de travail a été conçu pour remplir 3 objectifs. Le premier (O1) est la construction d'un jeu de modules élémentaires, le deuxième (O2) est de démontrer que les modules peuvent être assemblés dans des circuits complexes, et le troisième objectif (O3) consistera à appliquer ces circuits comme mentionné précédemment. O1 : Comme de coutume en biologie synthétique, les dispositifs seront composés de 3 modules : un senseur, un circuit de contrôle effectuant des calculs, et un actuateur. Certains dispositifs élémentaires seront un amplificateur, un interrupteur, un additionneur et un soustracteur. O2 : Deux types de connections seront testées in silico : connecter les modules via leurs métabolites d'entrées et sorties, ou les connecter via des enzymes dont la concentration est proportionnelle à ces entrées et sorties. La meilleure stratégie sera implémentée in vivo. O3 : Des circuits seront développés pour détecter les molécules du quorum de Pseudomonas aeruginosa AHL et PQS, et pour exprimer des enzymes de quorum-quenching en conséquence. D'autres circuits seront conçus pour détecter et quantifier divers pathogènes dont les biosenseurs ont été developpés précédemment par l'équipe d'accueil. Concevoir des circuits électroniques a été un des moteurs et un des domaines de recherche les plus prolifiques de la biologie synthétique. La plupart des circuits à l'heure actuelle sont digitaux et génétiques. Ce projet de thèse vise à créer des circuits analogiques enzymatiques. Son avantage principal est un incroyable gain de temps tout en évitant de discrétiser le signal.

  • Titre traduit

    Development of metabolic circuits for detection, diagnosis, remediation and treatment of molecules and pathogens with NRBC risks


  • Résumé

    One main goal of synthetic biology is to develop scalable platforms to engineer biological systems enabling sophisticated sense-and-respond behaviors. Due to the deep mathematical and physical similarities between living cellular modules and electronic parts, biological electronic-like circuits have been developed during the past ten years as a tool in order to design novel biological parts and process information in living cells. The current PhD proposal is taking advantage of the recent developments in biosensing abilities to explore the potential of developing in vivo circuits via enzymatic (metabolic) reactions. On the one hand, analog circuits have already been developed for gene expression but the dynamics of gene expression is rather slow. On the other hand, enzymatic reactions have been used to develop in silico and in vitro digital circuits such as switches and logic gates. The kinetics of these circuits are fast but the digital aspect seems hard to apply in an in vivo setting. The advantage of developing metabolic analog circuits is twofold: (i) variables are not arbitrary thresholded and can take a continuous range of values, and (ii) metabolic reactions compared to gene expressions are much faster and computation is dramatically speed up. This project will develop metabolic analog circuits enabling two practical applications having wide social and societal impacts: antibacterial therapies and detection of compounds presenting NRBC risks. The work plan has been crafted to fulfill three objectives. The first one (O1) is to build a set of basic modular analog devices, the second objective (O2) is to demonstrate that the devices can be assembled in more complex circuits, and the third objective (O3) is to apply the circuits for the practical applications mentioned previously. O1: As customary in synthetic biology, the devices will be composed of three modules: a sensor as input, a controller circuit performing computations, and an actuator as output. Basic devices will be amplifier, on/off switch, adder and substractor. O2: Two types of connections will be tested in silico: connecting the modules via their outputs and inputs, metabolites, or connecting them via enzymes proportional to the inputs and outputs. The best strategy will then be implemented in vitro. O3: Analog circuits will be developed to detect Pseudomonas aeruginosa AHL and PQS quorum molecules and upon detection express quorum-quenching enzymes depending on the strength of the various input signals. Other analog circuits will be constructed to detect and count pathogens for which biosensors have previously been developed by the host team. Building electronic-type circuits has been one of the drivers and one of the most prolific research areas in synthetic biology. Most circuits thus far developed are digital and genetic. The current PhD project proposes to build analog circuits with enzymatic reactions. The advantage is a tremendous gain of speed while avoiding discretizing signals.