Les applications de la synthèse d’ADN sont fermement reconnues dans plusieurs domaines scientifiques dont la biologie synthétique, le développement biopharmaceutique et l’agriculture moderne. Au cours des dernières années, il est devenu de plus en plus clair qu’il existe des opportunités illimitées qui découlent de la capacité de synthétiser de l’ADN dans un laboratoire.
Prenons l’exemple du stockage basé sur l’ADN. Les données numériques peuvent désormais être encodées dans une séquence d’ADN pour un stockage à long terme, offrant une solution possible à la crise du stockage des données du XXIe siècle. Dans le domaine de la découverte de médicaments, les scientifiques s’efforcent de créer des systèmes biologiques capables de produire des médicaments synthétisés chimiquement depuis des années. De telles innovations dans la biologie moderne reposent sur la synthèse d’ADN, pour laquelle un goulot d’étranglement existe actuellement – le processus chimique traditionnel qui a été adopté depuis les années 1980.
Codexis, une société leader dans l’ingénierie des protéines, et Assemblages moléculaires, pionnier dans le domaine de la synthèse enzymatique d’ADN, récemment annoncé un partenariat à travers lequel les entreprises visent à concevoir des enzymes qui optimiseront le processus de synthèse enzymatique de l’ADN – une approche alternative à la synthèse chimique de l’ADN.
Codexis et Assemblages moléculaires espérer être à la pointe d’une «transformation dans la synthèse de l’ADN». Réseaux technologiques s’est entretenu avec John Nicols, président et chef de la direction, Rob Wilson, PhD, vice-président principal et directeur général (enzymes de performance) et Aaron Hammons, directeur principal (développement commercial des enzymes des sciences de la vie) chez Codexis pour savoir comment.
Molly Campbell (MC): Pouvez-vous discuter de l’importance de la synthèse de l’ADN et de ses applications?
Rob Wilson (RW): L’importance de la synthèse de l’ADN dans la vie moderne augmente d’année en année, et cela ne montre aucun signe de changement. L’ADN synthétique est utilisé dans des applications aussi variées que la découverte et la fabrication de médicaments biologiques, l’amélioration des propriétés des cultures et des rendements en agriculture, la biologie synthétique pour la production durable de nouveaux produits chimiques et matériaux et – de plus en plus – le stockage de données. La capacité de créer des séquences de plus en plus longues de manière beaucoup plus efficace et précise, pour permettre la réduction continue des coûts et l’expansion de l’applicabilité de l’ADN synthétique, est depuis longtemps un objectif essentiel de la communauté de la génomique.
MC: Qu’est-ce que la synthèse enzymatique d’ADN et en quoi est-elle différente de la synthèse chimique?
RW: Premièrement, il est important de dire que les produits purifiés de la synthèse enzymatique et chimique sont les mêmes: à toutes fins utiles, des séquences d’ADN normal, tout comme la nature le produirait, juste fabriquées synthétiquement et potentiellement avec la séquence (ou le code) modifié pour s’adapter à la fonction souhaitée. Dans les deux processus, la séquence est construite de manière itérative, un nucléotide à la fois.
La différence vient du processus de fabrication: la synthèse chimique utilise des réactifs, des solvants et des processus agressifs qui seraient familiers dans presque toutes les usines chimiques dans le monde, tandis que la synthèse enzymatique repose sur des variantes des enzymes naturelles qui évoluent depuis le tout début de la vie. sur cette planète, et qui fonctionnent efficacement dans l’eau, dans des conditions bénignes.
MC: Quels sont les avantages de la synthèse enzymatique d’ADN?
RW: Outre les avantages environnementaux décrits ci-dessus, la synthèse enzymatique est fondamentalement plus simple que l’alternative chimique et – surtout – a le potentiel d’être beaucoup plus précise que l’approche chimique, introduisant ainsi moins d’erreurs dans le code. Cela permet de produire des séquences beaucoup plus longues, sans avoir besoin de purifications ou de solutions de contournement lourdes, inefficaces et coûteuses.
MC: Pouvez-vous discuter de la décision de vous associer à des assemblées moléculaires?
John Nicols (JN): Toute notre entreprise se concentre sur la compréhension des besoins et la réalisation de la promesse d’enzymes améliorées pour améliorer la vie des humains et de la planète que nous habitons. Nous étudions en conséquence de nombreuses opportunités d’enzymes nouvelles. Nous avons augmenté les enzymes pour la synthèse d’ADN dans le cadre de cet objectif au début de 2019 et avons de plus en plus validé que des avantages substantiels pourraient être rendus possibles par Codexis des enzymes conçues pour améliorer la fabrication d’ADN de haute qualité.
Avec cette force motrice pour s’impliquer dans la synthèse d’ADN, nous avons effectué une diligence minutieuse sur une gamme d’entreprises qui sont actuellement investies dans des approches enzymatiques pour la synthèse d’ADN. Les assemblées moléculaires se sont démarquées dans notre analyse, compte tenu de leur propriété intellectuelle et de leur patrimoine de brevets, de leur excellente équipe scientifique interne dirigée par le vétéran de la synthèse d’ADN Bill Efcavitch et de leur conseil synergique et collaboratif et de leur base d’investisseurs. Ces capacités ont fait des assemblages moléculaires notre premier choix pour être notre partenaire stratégique de synthèse d’ADN, et nous nous sommes donc lancés pour voir si nous pouvions conclure un accord.
À partir de là, l’élaboration des détails de la collaboration en matière de développement technologique et des accords d’achat d’actions s’est déroulée sans heurts et a validé une forte adéquation culturelle à tous les niveaux entre nos deux sociétés. Cette synergie est évidente aujourd’hui, alors que nous avons lancé les travaux d’ingénierie enzymatique à l’appui du partenariat au centre de R&D de Codexis à Redwood City, en Californie.
MC: Comment prévoyez-vous d’exploiter la puissance des capacités d’ingénierie des protéines de Codexis avec la technologie de synthèse enzymatique d’ADN évolutive de Molecular Assemblies pour accélérer la révolution de la synthèse enzymatique de l’ADN?
JN: Notre technologie d’ingénierie des protéines de plate-forme, CodeEvolver®, bombardera la chimie d’assemblage des nucléotides cibles avec des dizaines de milliers de variantes d’enzymes différentes au cours de la vie de ce projet. L’optimisation parallèle entre les enzymes modifiées qui s’améliorent rapidement et la chimie en aval qui les utilise sera constamment remise en question et évoluera en tandem.
Les enzymes que nous finalisons dans ce projet ne ressembleront pas du tout à celles avec lesquelles nous commençons aujourd’hui, et de même, la chimie des nucléotides devra rapidement traverser une série de goulots d’étranglement changeants qui ressemblent peu aux contraintes d’aujourd’hui. Le résultat de la « danse de la technologie » des entreprises libérera une méthodologie brevetée de synthèse enzymatique d’ADN qui sera de plusieurs ordres de grandeur plus efficace que les procédés actuels basés sur les enzymes. Cette éclipse de l’état de l’art actuel est ce qui est nécessaire pour surpasser efficacement les approches synthétiques traditionnelles de phosphoramidite et pour ouvrir les différenciateurs de synthèse d’ADN que le partenariat a fixés comme ses principaux objectifs – un ADN synthétisable avec une qualité et une longueur d’oligonucléotides inégalées.
MC: Quels sont les plus grands défis de la synthèse d’ADN?
RW: Les enzymes de synthèse d’ADN ont évolué au cours des centaines de millions d’années pour remplir leur fonction à l’intérieur des cellules des organismes vivants, de manière exquise. En tant que tels, ils fonctionnent dans des conditions complexes où de nombreux processus de régulation empêchent les erreurs de se produire et permettent d’ajouter efficacement des nucléotides naturels non protégés à la fin des nouvelles chaînes d’ADN produites. Dans un environnement de fabrication, ces processus de régulation cellulaire sont absents et les défis de la réduction des erreurs et de l’introduction de nouveaux nucléotides dans la séquence nécessitent une solution différente.
C’est là que réside le plus grand défi de la synthèse enzymatique d’ADN: faire travailler les enzymes avec des matières de départ modifiées qui sont protégées (modifiées avec une fonctionnalité chimique supplémentaire) pour éviter que des erreurs ne se produisent. Une enzyme qui est hautement active et sélective pour un nucléotide non protégé est probablement presque totalement inactive contre un nucléotide modifié qui est nécessaire pour effectuer les additions par étapes, une à la fois pour étendre la chaîne d’ADN, avant que le groupe protecteur ne soit retiré pour exposer à nouveau le nucléotide naturel.
C’est là que l’ingénierie des protéines est transformatrice – en concevant les enzymes naturelles pour qu’elles fonctionnent aussi bien avec les nucléotides modifiés qu’elles le faisaient autrefois avec les nucléotides naturels, elles peuvent être activées pour fonctionner, avec une efficacité commercialement pertinente, dans un synthétiseur d’ADN au lieu d’une cellule vivante. .
MC: À quoi pensez-vous que le domaine de la synthèse de l’ADN ressemblera dans cinq à dix ans?
Aaron Hammons (AH): Dans cinq à dix ans, la synthèse de l’ADN sera une utilité courante en biologie, en agriculture, en pharmacie, en textile et même dans de nombreux laboratoires informatiques et d’ingénierie. Les chercheurs pourront imprimer un gène personnalisé ou même un génome sur leur paillasse ou en faire commander et livrer le lendemain.
Les scientifiques pourront imprimer des gènes personnalisés pour la thérapie génique et les médicaments personnalisés, les archivistes pourront stocker les données dans un format qui pourra rester stable et lisible pendant des millénaires, les ingénieurs concevront et créeront des bactéries et des virus personnalisés pour fabriquer, construire ou livrer biomatériaux durables. Les barrières à l’entrée pour la recherche dépendante de l’ADN seront réduites grâce à une amélioration du coût, de la vitesse, de la précision et de la disponibilité de l’ADN, ce qui permettra l’adoption rapide d’une technologie de niche actuellement. Cette adoption prolifique provoquera une explosion cambrienne des domaines de recherche et des applications industrielles qui permettront le passage à un avenir plus durable et axé sur la biologie.
John Nicols, Rob Wilson et Aaron Hammons se sont entretenus avec Molly Campbell, rédactrice scientifique pour les réseaux technologiques.
