Les plasmides sont largement utilisés en biologie fondamentale et appliquée. Les scientifiques utilisent ces petites molécules d’ADN circulaires pour insérer de nouveaux gènes dans l’organisme cible. Connus pour leurs applications dans la production de protéines thérapeutiques telles que l’insuline, les plasmides sont largement utilisés dans la production à grande échelle de nombreux produits vitaux.
Cependant, la conception et la construction de plasmides restent parmi les étapes les plus longues et les plus exigeantes en recherche en biologie.
Pour résoudre ce problème, Behnam Engyad, Bo Xue et d’autres chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign du Center for Advanced Bioenergy and Bioproduct Innovation (CABBI) ont développé une plate-forme automatisée polyvalente pour la conception et la construction de plasmides appelée PlasmidMaker. Leurs travaux ont récemment été publiés dans Communication Nature.
La formation de plasmide commence par la conception. Pour faciliter ce processus de conception, PlasmidMaker dispose d’une interface Web facile à utiliser grâce à laquelle les chercheurs peuvent visualiser et synthétiser le plasmide idéal pour leurs besoins.
Une fois le plasmide conçu, il est soumis à l’équipe PlasmidMaker et une commande est passée pour le plasmide à l’Illinois Advanced Biofabrication Biological Foundry (iBioFAB), où le plasmide sera construit. iBioFAB, situé à l’Institut Carl R. Woese de biologie génomique (IGB) sur le campus de l’U de I, est une infrastructure informatique et physique intégrée qui prend en charge la fabrication rapide, le contrôle de la qualité et l’analyse de la composition génétique. Il comporte un bras robotisé central qui déplace les instruments de laboratoire entre les instruments effectuant des opérations distinctes telles que les pipettes, l’incubation ou le cycle thermique.
La construction des plasmides est automatisée : les échantillons sont préparés par réaction en chaîne par polymérase (PCR) et purification, les séquences d’ADN sont assemblées et transformées, les plasmides sont confirmés et congelés, le tout avec peu d’intervention humaine.
En plus de l’automatisation et de la précision fournies par iBioFAB, la plate-forme PlasmidMaker est également à l’avant-garde d’une nouvelle méthode très flexible pour assembler plusieurs segments d’ADN dans un plasmide en utilisant Pyrocoque furiosus Argonaute (sAgo) – enzymes de restriction synthétiques (ARE).
Les enzymes de restriction sont utilisées depuis longtemps dans la construction de plasmides, car elles peuvent cliver des molécules d’ADN en séquences spécifiques de bases, appelées séquences de reconnaissance. Cependant, ces séquences de reconnaissance sont généralement courtes, ce qui rend leur travail difficile. Une séquence courte est susceptible de se produire plusieurs fois dans une molécule d’ADN, auquel cas l’enzyme de restriction effectue de nombreuses coupures.
« Dans les méthodes d’assemblage d’ADN précédentes, il était souvent difficile de trouver les bonnes enzymes de restriction capables de couper les plasmides et de remplacer les fragments d’ADN », a déclaré Huimin Zhao, co-auteur et Steven L. Miller, chef du génie chimique et biomoléculaire. ChBE) dans l’Illinois. « Le sLes ARE basés sur Ago offrent une plus grande flexibilité et précision, car ils peuvent être programmés pour rechercher des séquences de reconnaissance plus longues à pratiquement n’importe quel endroit. »
Avec toutes les améliorations qu’il apporte à la table, les membres de l’équipe de CABBI, l’un des quatre centres de recherche sur la bioénergie financés par le DOE à travers les États-Unis, espèrent que PlasmidMaker accélérera le développement de la biologie synthétique pour les applications biotechnologiques.
« Cet outil sera disponible pour les chercheurs du CABBI, et nous voulons éventuellement le mettre à la disposition de tous les chercheurs des trois autres centres de recherche sur la bioénergie », a déclaré Zhao. « Si tout se passe bien, nous espérons le mettre à la disposition de tous les chercheurs du monde entier. »
Les autres co-auteurs du manuscrit sont Neelmani Singh, ingénieur en automatisation CABBI ; Aashutosh Girish Boob et Chengyou Shi, étudiants diplômés du CABBI au ChBE ; Vasily Andrew Petrov, ingénieur logiciel CABBI ; Rui Liu, étudiant de premier cycle du CABBI en génie informatique ; Siddhartha Suryanarayana Berry, étudiante de premier cycle CABBI au ChBE ; Stephen Thomas Lynn, directeur de CABBI iBioFAB ; et Emily Daniel Geither, ancienne technicienne CABBI iBioFAB.
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