Les thématiques du DIM BioConvS

Axe 1 : Ingénierie du vivant et bioproduction

L’axe 1 se focalise sur les procédés pour l’ingénierie du vivant et la bioproduction en renforçant les liens et possibles synergies entre eux.

En ce qui concerne l’ingénierie du vivant, les points clés seront la manipulation de l’ADN, les circuits génétiques et les processus cellulaires. Les méthodologies actuelles de manipulation de l’ADN (édition, synthèse et assemblage des gènes et des génomes) sont encore perfectibles. Elles reposent sur l’assemblage enzymatique de fragments de relativement petites tailles (moins de 3000 bases), avec un rendement global sans erreur assez faible. Pourtant l’ingénierie de l’ADN, matériaux de base de nombreuses biotechnologies, est une étape clé et critique pour de nombreuses applications. Ainsi le développement de méthodologies plus efficaces, plus

rapides et plus précises aurait un énorme impact tant au niveau de la recherche fondamentale que des entreprises du secteur. Sans prétendre être exhaustif, les stratégies suivantes seront investiguées : synthèse de l’ADN, assemblage de l’ADN et édition de précision du génome (CRISPR).

Cet axe s’intéresse également à la caractérisation, à la production, au contrôle temporel, à l’évolution des biomolécules et de leurs assemblages pour former des circuits, des réseaux métaboliques, des fonctions cellulaires prédictibles, complexes, intégrées et robustes. En effet, les macromolécules (acides nucléiques et protéines) et les métabolites sont au coeur des fonctions biologiques, entraînés par l’évolution pour permettre des fonctions naturelles extraordinairement sophistiquées, qui vont bien au-delà de nos capacités d’ingénierie. Au-delà de ces molécules, c’est notre capacité à construire de manière prédictive et automatique des voies de régulations cellulaires, voire des chromosomes et des cellules artificielles, qu’il faut significativement développer. Pouvoir prédire, concevoir, générer, assembler, manipuler et contrôler des biomolécules et des circuits d’une manière qui rivalise avec la complexité et la richesse fonctionnelle des cellules est l’objectif ultime de l’ingénierie du vivant. Pour cela, nous aborderons en particulier les approches suivantes: 

(i) collecte, conservation, standardisation et réutilisation de briques moléculaires;

(ii) conception de novo et synthèse à la demande de macromolécules; 

(iii) évolution dirigée pour l’ingénierie macromoléculaire;

(iv) systèmes de polymérisation de nucléotides et d’acides aminés non naturels; 

(v) conception intégrée de systèmes génétiques pour le contrôle cellulaire, le traitement de l’information et la bioproduction.

Cet axe inclut aussi la domestication, la manipulation et l’utilisation des hôtes unicellulaires, des consortiums microbiens ou d’organismes multicellulaires. Les réalisations récentes de la biologie de synthèse ont mis en évidence la capacité de modifier des microorganismes, des plantes et des lignées cellulaires animales pour effectuer des tâches que la nature n’a pas sélectionnées. En plus de l’utilisation des hôtes unicellulaires, l’ingénierie de consortiums multicellulaires, dans lesquels plusieurs cellules partagent des fonctions spécifiques

(division du travail), est un axe de recherche effervescent qui mérite notre attention. De même, les progrès des systèmes acellulaires (cell-free) pour la production de macromolécules à l’échelle du gramme / litre permettent d’envisager des applications de biofabrication industrielle à la demande. Le DIM BioConvS soutiendra notamment le développement de méthodes, d’outils et de modèles pour : 

(i) concevoir des cellules synthétiques et des systèmes acellulaires;

(ii) permettre la transformation, la modification et la reprogrammation de nouveaux

châssis ;

(iii) fabriquer des organismes multicellulaires. 

Enfin, cet axe se consacre également aux procédés de bioproduction pour les biothérapies. Il s’avère que les biothérapies peuvent être altérées de manière imprévisible pendant le processus de fabrication, ce qui peut entraîner un changement dans l’activité biologique ou l’induction d’un effet toxique. Les biothérapies sont très sensibles à des facteurs environnementaux tels que

les changements de température, le pH, etc. également à la contamination par des virus, des bactéries, des endotoxines bactériennes, des champignons, des mycoplasmes provenant des cellules productrices, des matières premières utilisées ou du propre procédé de fabrication. La mise en place des bioprocédés doit prendre en considération ces contraintes d’où l’importance de l’automatisation via des bioréacteurs qui vont permettre la maîtrise des conditions environnementales de la culture cellulaire, leur traçabilité, la réduction des contaminations lors des étapes de fabrication et faciliter la montée en échelle du procédé. Ces efforts sont

particulièrement utiles dans le cadre de la montée en échelle nécessaire pour l’utilisation de vecteurs viraux de thérapie génique. Les vecteurs viraux adéno-associés recombinants (rAAV) qui sont administrés par voie systémique requièrent des doses pouvant aller jusqu’à 1014 particules par Kg de poids corporel, pour obtenir l’effet thérapeutique dans le cas du traitement de myopathies. Dans le contexte des « live biotherapeutics product » (LBP), microorganismes issus du microbiote intestinal utilisés comme médicament (probiotiques de nouvelle génération), la capacité de production à un niveau industriel est un obstacle majeur au développement

actuellement. Ces microorganismes nécessitent des conditions de culture exigeantes, souvent en anaérobie, et qui sont spécifiques à chaque microorganisme. Dans ce contexte, le défi est de mettre en place, en possible collaboration avec des industriels, des procédés automatisés directement dans des bioréacteurs compatibles avec les bonnes pratiques de fabrication (BPF) en conformité avec la réglementation et adaptables à la montée en échelle. Le défi est également de produire à haut rendement et à plus faible coût de manière reproductible les biothérapies de demain avec la qualité pharmaceutique requise afin d’assurer leur efficacité et sécurité.

Axe 2: Développement de preuves de principe thérapeutiques

L’activité thérapeutique des biothérapies et des approches de biologie synthétique pour la santé doit être validée via des tests in vitro, ex vivo ou dans des modèles animaux appropriés in vivo. Cette investigation repose sur une compréhension précise des mécanismes pathologiques. Il est donc utile de s’appuyer sur des cellules en créant des modèles in vitro de maladies par édition du génome, par exemple. Sur le plan in vivo, les modèles induits pharmacologiquement, par intervention chirurgicale ou génique (dont un gène d'intérêt a été rendu inopérant - knock-out) représentent des outils d’intérêt pour la modélisation pathologique.

Cet axe se concentre sur le développement de preuves de principe thérapeutiques pour les biothérapies et des approches de biologie synthétique sur différentes indications thérapeuthiques :

• Combattre les maladies infectieuses existantes et émergentes. La pandémie de COVID-19 a mis en évidence l’importance cruciale de la surveillance des agents infectieux ainsi que le besoin de développer un arsenal biologique pour les combattre. La biologie de synthèse et l’intelligence artificielle sont deux armes essentielles dans ce combat.

• Construire des outils de diagnostic performants. Développer des outils de diagnostic rapides et peu coûteux. Ceux-ci peuvent en particulier être fondés sur des protéines (anticorps) ou des acides nucléiques (aptamères) faciles à produire et à conserver.

• Imaginer des biothérapies et stratégies de biologie synthétique contre les infections microbiennes en vue de la menace de la résistance aux antibiotiques. C’est une priorité de santé publique. L’ingénierie des systèmes de criblage synthétique, l’identification de nouveaux produits naturels bioactifs, les thérapies ciblées à base de phage ou l’ingénierie du microbiome sont des pistes prometteuses. 

• Penser les méthodes de lutte contre les virus de demain. Par exemple, développer de nouvelles stratégies de vaccination pour parvenir à une vaccination animale et humaine à très faible coût s’appuyant notamment sur l’ingénierie modulaire d’antigènes et d’adjuvants, utiliser des modèles nouveaux (plantes, cultures cellulaires, systèmes sans cellules) pour produire des vaccins, exploiter

• les systèmes immunitaires des microbes comme stratégies antivirales.

• Traiter les maladies chroniques et non transmissibles.

• Concevoir des biocapteurs pour mesurer les métabolites, protéines et autres biomolécules in vivo

• Développer l’utilisation de bactéries à des fins thérapeutiques.

• Faire progresser l’ingénierie des consortiums cellulaires (y compris le microbiome humain et le système immunitaire).

• Intégrer des cellules vivantes à des tissus « intelligents » pour détecter et agir préventivement (e.g. antimicrobiens).

• Développer des approches de bioproduction et biothérapie concernant la thérapie génique, (sub-)cellulaire ou basée sur le microbiote pour traiter les maladies chroniques et non transmissibles

• Combattre les tumeurs

• Développer des approches de bioproduction concernant le transfert adoptif de lymphocytes T-CAR ainsi que preuves de principe thérapeuthique et pré-clinique pour ces biothérapies

• Développer des approches de bioproduction concernant la thérapie subcellulaire ou à base de microbiote et leur preuve d'efficacité thérapeutique pour la thérapie anti-tumorale

• Traiter les maladies rares 

• Concevoir de nouvelles technologies de correction génique via des vecteurs viraux issus de lentivirus, de virus adéno-associés, etc pour les maladies rares

• Développer des approches de bioproduction concernant la thérapie (sub-)cellulaire ou à base de microbiote 

• Développer des preuves de principe thérapeuthique et pré-clinique pour les biothérapies concernant les maladies rares métaboliques, du système immunitaire, les myopathies, etc.

Dans une perspective de translation clinique, le but est aussi de faire appel à des tests d'efficacité thérapeuthique capables de prédire si un lot a le potentiel d'atteindre les effets thérapeutiques escomptés chez l’homme. Il s’agit des tests de « potency », avec une méthodologie validée et des critères d’acceptation déterminés. Ces tests in vitro et/ou ex vivo peuvent constituer des indicateurs de processus biologiques normaux, ou pathologiques, capables de répondre à l’action de la thérapie. Dans certains cas, la cible du test de « potency » pourra être considérée par la suite comme un biomarqueur lors des essais cliniques.

Axe 3: Méthodes analytiques nouvelles, haut débit et standardisables

Les méthodes analytiques sont au coeur de la mise en place des approches de biologie synthétique et des bioprocédés pour la production de biothérapie. Les méthodes analytiques permettant de mettre en évidence l’impact des variables d’entrée (paramètres opératoires tels que les conditions de culture, les matières premières) sur les données obtenues en sortie (attributs de performance et qualité). Un défi de taille sera de mettre en place des méthodes quantitatives nouvelles issues de la biologie, de la physique, de la chimie, de la bio-informatique mises à profit pour la caractérisation à haut débit dans le cadre des approches de biologie synthétique et de biothérapie.

Dans une perspective de translation clinique, les méthodes analytiques ont une importance capitale dans la définition des gammes opératoires optimales pour les paramètres du bioprocédé, des critères d’acceptation et, par conséquent, les spécifications des produits en conformité avec la réglementation. Dans ce contexte, le défi est de mettre au point, en possible collaboration avec des industriels, des méthodes analytiques dédiées aux spécificités de chaque type de biothérapie, adapter des méthodes consolidées pour un type de biothérapie à

une autre, standardiser ces méthodes et réaliser leur validation analytique (ex : détermination de la spécificité, la répétabilité, la reproductibilité, la linéarité, les limites de détection, les limites de quantification) selon les exigences réglementaires en vigueur. Le défi est également de mettre en place des contrôles en ligne en ayant le moins d’impact sur le rendement, permettant de stopper le plus tôt possible un procédé coûteux lorsqu’il ne correspond pas aux critères essentiels de validation de lot.

Axe 4 : Outils numériques pour la modélisation et l’intelligence artificielle pour l’amélioration d’analyse des données, de modélisation, des procédés et contrôle qualité

Malgré un développement rapide et l’apparition de nouveaux outils de modélisation, d’apprentissage et d’automatisation, les approches actuelles sont encore limitées par la difficulté intrinsèque de prédire les phénotypes quantitatifs et de contrôler leur comportement, en particulier lors de la mise à l’échelle d’expériences de paillasse (à petite échelle) à la production à moyenne et grande échelle. Nous nous concentrerons sur les approches d’intelligence artificielle pour l’inférence de modèles, la planification expérimentale et l’échantillonnage.

• Améliorer les algorithmes de prédiction et de conception du génie biologique à l’échelle moléculaire, cellulaire et multi-cellulaire. Les outils informatiques facilitant la conception des protéine et des oligonucléotides fonctionnels ont bénéficié de nombreux progrès au cours des dernières années mais restent limités à quelques classes fonctionnelles (facteurs de transcription, enzymes...). Il est nécessaire de développer des algorithmes de conception plus génériques basés sur les données expérimentales, sur l’intelligence artificielle et les principes de physique et de chimie. Le DIM BioConvS soutiendra l’extension de modèles informatiques en incorporant d’autres données (e.g. les données multi-omiques, l’environnement physico-chimique).

• Une infrastructure computationnelle en support du cycle DBTL. De nombreux outils informatiques ont été développés ces dernières années pour couvrir l’ensemble des étapes du cycle DBTL. Toutefois ces outils restent difficiles à utiliser (ils ne sont pas nécessairement open-source ou nécessitent une expertise spécifique) et ne sont pas interfaçables (les entrées/sorties ne sont pas toujours standardisées). Certaines biofonderies ont développé leurs propres chaînes d’outils mais celles-ci ne sont pas en libre accès et sont spécifiques aux instruments et méthodes utilisés par ces biofonderies. Idéalement, une infrastructure informatique en biologie de synthèse devrait être générique, facilitant l’ajout de nouveaux logiciels, et devrait permettre de rendre un ensemble d'outils informatiques faciles à trouver, accessibles (en libre accès), interopérables et réutilisables, conformément aux principes FAIR mis en avant par l’Europe et la France dans la conduite des projets de recherche. BioConvS à fait le choix d’utiliser la plateforme Galaxy-SynBioCAD qui permet de répondre aux contraintes énoncées ci-dessus. La plateforme est installée sur le système de workflow Galaxy largement utilisé par plusieurs communautés dans les sciences de la vie (bioinformatique, génomique, métabolomique, protéomique, cancer, plantes, drug-design) et choisi par l’infrastructure Européenne ELIXIR. Nous compléterons ces outils par le développement de nouvelles méthodes d’apprentissage machine et du pilotage des stations de travail robotisées de notre biofonderie.

• Outils informatiques pour la mise en place de bioprocédés et contrôle qualité. En considérant la puissance des outils informatiques actuels, leur utilisation devrait être de plus en plus répandue pour l’aide à la mise en place de procédés de bioproduction et le développement de méthodes analytiques innovantes. A titre d’exemple, l'utilisation de simulation numérique de mécanique des fluides figure parmi ces outils permettant de simuler les écoulements dans les bioréacteurs. Les outils informatiques, notamment d’intelligence artificielle, sont également intéressants pour le développement de méthodes analytiques innovantes à haut contenu d’information. L’intelligence artificielle permet de traiter une grande quantité de données multimodales, sélectionner les modalités, les réduire aux données pertinentes, exprimer des probabilités via des projections ou prédictions pouvant aller jusqu’à des actions prescriptives, atouts qui pourraient être exploités pour le contrôle qualité des biothérapies. Dans ce contexte, le défi interdisciplinaire, en collaboration avec des mathématiciens, physiciens, informaticiens et toute autre discipline en dehors du champ des sciences du vivant, consistera à améliorer la performance des bioprocédés et des méthodes analytiques afin de mieux maîtriser la bioproduction et le contrôle qualité des biothérapies de demain en possible partenariat avec des industriels.

Axe 5: Assurer une Bioconvergence responsable, éthique et inclusive

Il est essentiel d’associer au programme scientifique du DIM des recherches sur l’éthique des utilisations du vivant pour le progrès médical, sociétal et / ou économique. En particulier, et sans être exhaustif, nous encouragerons les projets prenant en compte les éléments suivants:

• Études sur les risques et la biosécurité, y compris de nouvelles méthodes d’évaluation des risques, l’ingénierie de systèmes de sécurité synthétiques et la diffusion responsable des outils de la biologie de synthèse parmi le public, les étudiants et les amateurs (i.e. ce qu’on appelle la « biologie de garage »).

• Étude de l’éthique de l'ingénierie de systèmes vivants et de leur manipulation lors de la bioproduction.

• Soutenir une communication ouverte entre les chercheurs du DIM et les acteurs publics qui pourraient être impactés par cette recherche et le déploiement de nouvelles technologies. Cela comprendra des études sur la façon de mettre en place un processus de co-conception pour traduire les défis sociétaux en projets de recherche ouverts (science citoyenne / participative).

• Apprendre de l’histoire en comprenant les processus qui ont conduit à un clivage science-société afin de partager de manière inclusive l’innovation basée sur l’ingénierie de la biologie.

• Comprendre comment les résolutions potentielles de défis de développement durables par la bio -ingénierie, -production la - thérapie se traduit dans la pratique, les nouvelles politiques et les directives éthiques,

• Intégrer des études sociales avec la bio-ingénierie, la bioproduction et la biothérapie dès le début du projet, menant à des copublications et en développant et valorisant différentes positions philosophiques.

• Développer des approches qui orientent la bio-ingénierie et les biothérapies vers une réduction des inégalités et une augmentation du bien-être pour accompagner son impact sur l'innovation, moteur de la croissance économique.