PROJET UNADISC

Accélérer la découverte de produits naturels bioactifs grâce à la biologie de synthèse et computationnelle

Ce projet est porté par l’INSERM – Learning Planet Institute.

CONTEXTE

Les métabolites secondaires produits par les micro-organismes constituent une source essentielle de molécules bioactives ayant des applications dans de nombreux domaines thérapeutiques, des maladies infectieuses au cancer. Malgré une énorme diversité inexplorée, la découverte de nouveaux métabolites bioactifs avec les approches standard s’est ralenti ces dernières années. Cependant, les technologies génomiques peuvent désormais être exploitées pour découvrir des métabolites secondaires en se concentrant sur les gènes responsables de leur synthèse, qui forment généralement des groupes de gènes biosynthétiques (BGC) au sein des génomes microbiens. Dans ce projet, nous utiliserons la science citoyenne, les avancées récentes en matière de séquençage et en bio-informatique pour trouver et classer par ordre de priorité les BGC qui codent pour des produits naturels inexplorés. Ensuite, nous combinerons des outils de biologie synthétique récemment développés dans notre équipe pour exprimer ces nouveaux BGC, cribler l’activité de leurs produits en termes d’activités antimicrobiennes et antivirales et permettre leur production à l’échelle.

OBJECTIFS

L’objectif principal de ce projet est de construire un pipeline allant des gènes jusqu’aux molécules, capable d’amener un nombre important de molécules antimicrobiennes et antivirales aux portes du développement clinique.

Pour atteindre cet objectif, nous allons poursuivre trois axes:

1. Utiliser la science citoyenne et la bioinformatique pour trouver rapidement de nouveaux BGC dans l’environnement puis les cloner à haut débit, et en cribler les produits pour découvrir rapidement de nouvelles molécules bioactives.
2. Augmenter le rendement de la production de métabolites bioactifs microbiens en utilisant des organites synthétiques dans E. coli et S. albus.
3. Prédire, et tester des molécules actives contre les virus humains, à la suite de notre récente découverte de métabolites anti-phages agissant comme des antiviraux à spectre large. À cette fin, nous appliquerons notre plate-forme d’expression de BGCs spécifiquement sur ceux prédits comme étant capables de synthétiser de nouveaux antiviraux.

RÉSULTATS ATTENDUS

1. Une collection de ≈1000 clones d’E. coli contenant des BGC dérépliqués provenant de la collection de science citoyenne dynamique “Science à la pelle” (soit une augmentation de 2000% par rapport aux collections de BGC disponibles avec les technologies actuelles).
2. Caractérisation métabolomique d’un hôte hétérologue S. albus contenant la collection de BGC et détection précoce de l’activité antibiotique de leurs produits à partir d’extraits bruts contenant les nouveaux composés.
3. Caractérisation complète de 5 nouveaux composés en fonction de leur activité antibactérienne ou antifongique.
4. Production efficace de précurseurs de PKS via des organites synthétiques TEARS fonctionnels dans E. coli.
5. Souche S. albus permettant la production efficace de précurseurs PKS via des organites synthétiques TEARS fonctionnels en tant que châssis pour augmenter le rendement de nouvelles molécules bioactives synthétisées par PKS.
6. Mise en place d’une nouvelle approche bioinformatique pour prédire les BGC antiviraux dans les génomes séquencés.
7. Établissement de S. albus en tant que nouvel organisme modèle pour l’étude de la défense chimique chez les actinobactéries.
8. Méthodes expérimentales et analytiques adaptées à l’identification de composés anti-phages qui pourraient ensuite être exploités à des fins cliniques.

PUBLICATIONS RÉCENTES

1. Burian J, Libis VK, Hernandez YA, Guerrero-Porras L, Ternei MA, Brady SF. High-throughput retrieval of target sequences from complex clone libraries using CRISPRi. Nat Biotechnol. 2023 May;41(5):626-630. doi: 10.1038/s41587-022-01531-8.
2. Libis V, MacIntyre LW, Mehmood R, Guerrero L, Ternei MA, Antonovsky N, Burian J, Wang Z, Brady SF. Multiplexed mobilization and expression of biosynthetic gene clusters. Nat Commun. 2022 Sep 6;13(1):5256. doi: 10.1038/s41467-022-32858-0. PMID: 36068239; PMCID: PMC9448795.
3. Georjon H, Bernheim A. The highly diverse antiphage defence systems of bacteria. Nat Rev Microbiol. 2023 Oct;21(10):686-700. doi: 10.1038/s41579-023-00934-x.
4. Bernheim A, Millman A, Ofir G, Meitav G, Avraham C, Shomar H, Rosenberg MM, Tal N, Melamed S, Amitai G, Sorek R. Prokaryotic viperins produce diverse antiviral molecules. Nature. 2021 Jan;589(7840):120-124. doi: 10.1038/s41586-020-2762-2. 
5. Guo H, Ryan JC, Song X, Mallet A, Zhang M, Pabst V, Decrulle AL, Ejsmont P, Wintermute EH, Lindner AB. Spatial engineering of E. coli with addressable phase-separated RNAs. Cell. 2022 Sep 29;185(20):3823-3837.e23. doi: 10.1016/j.cell.2022.09.016. 
6. Bongaerts N, Edoo Z, Abukar AA, Song X, Sosa-Carrillo S, Haggenmueller S, Savigny J, Gontier S, Lindner AB, Wintermute EH. Low-cost anti-mycobacterial drug discovery using engineered E. coli. Nat Commun. 2022 Jul 7;13(1):3905. doi: 10.1038/s41467-022-31570-3.