Depuis la découverte des lois fondamentales de l'hérédité des plantes de pois par Gregor Mendel à la fin du XIXe siècle, des chercheurs du monde entier ont investigué les secrets cachés dans l'ADN des plantes et inventé/amélioré des techniques qui ont transformé la façon dont les humains faire pousser des organismes verts à des fins agricoles ou industrielles – comme le révolution verte qui reposaient sur l'utilisation de variétés semi-naines et à haut rendement qui ont doublé la production céréalière dans les années 1960 ou sur l'utilisation d'outils génomiques dans la sélection moderne et la phytopharmacie (c'est-à-dire l'utilisation de plantes comme usines pour produire des produits pharmaceutiques).

Pour en savoir plus sur les domaines émergents des sciences du végétal, BotanyOne a rencontré Dr Jae-Seong Yang et Dr Ivan Reyna-Llorens, deux jeunes animateurs du Centre de Recherche en Génomique Agricole (CRAG, Barcelone) qui ont organisé la Conférence Biologie Synthétique Végétale en septembre 2022.

Qu'est-ce que Plant Synthetic Biol exactementogy veut dire?

Jae-Seong et Ivan coïncident dans la définition de la biologie synthétique des plantes - Plant SynBio en bref - comme la prochaine génération de biotechnologie végétale et d'ingénierie génétique/métabolique. Ivan a expliqué que cette évolution a été rendue possible par les nouvelles technologies (par exemple, le séquençage de nouvelle génération et la synthèse du génome) ainsi que par de nouveaux outils qui facilitent la génération de centaines de constructions différentes à l'aide de systèmes automatisés et de la robotique.

Jae-Seong a précisé que Synbio applique les concepts et principes de l'Ingénierie à la biologie : CONCEVOIR-CONSTRUIRE-TESTER-APPRENDRE (et inversement dans un cycle).

CONCEPTION expérimentale initiale : définition du problème biologique à traiter et sélection des organismes potentiels, des voies et des outils à utiliser. BUILD : synthèse et assemblage des composants moléculaires nécessaires pour modifier l'organisme sélectionné. TEST : validation du dispositif expérimental par criblage, génotypage/phénotypage et analyses moléculaires/biochimiques de l'organisme modifié. APPRENDRE : analyse et modélisation de données, collecte de nouvelles informations pour reconcevoir des expériences. Adapté de : Petzold et al., 2015. Crédits, MO (Canva)

Ivan nous a dit que Plant SynBio vise à utiliser ces principes et technologies pour améliorer ou résoudre bon nombre des problèmes auxquels nous sommes actuellement confrontés en termes de biodiversité, de sécurité alimentaire, de durabilité et de santé. Jae-Seong a ajouté : "Par rapport aux approches précédentes, Synbio est plus rapide". Aujourd'hui, c'est un avantage car, par exemple, les méthodes traditionnelles utilisées pour l'amélioration génétique des plantes (pour augmenter la productivité ou conférer une tolérance au stress) sont trop lentes pour suivre le rythme rapide du changement climatique. Synbio est aussi plus drastique : considérant la transformation génique, l'approche biotechnologique classique repose sur la modification d'une plante avec un seul gène, alors qu'une approche Synbio introduit un ensemble de gènes (qui peuvent également provenir d'autres organismes).

Parlons des scientifiques… pourquoi avez-vous décidé de rejoindre SynBio et comment développez-vous votre carrière dans ce domaine de recherche ?

Ivan est un scientifique mexicain qui a entendu parler de la biologie synthétique pour la première fois alors qu'il était doctorant à l'Université de Cambridge (Royaume-Uni). Alors qu'il assistait à une conférence de Jim Hasselhoff et Tom Knight, il a été étonné par le potentiel des systèmes biologiques pour faire des choses qui autrement ne pourraient pas être possibles. Après son doctorat au laboratoire de Julian Hibberd, il a essayé de s'impliquer davantage dans le domaine et il a décidé de continuer avec un postdoc dans le même groupe travaillant sur le Projet C4 RICE – une initiative de Bill et Melinda Gates qui vise à concevoir une usine de riz capable d'effectuer la voie C4 hautement efficace. Par la suite, il s'est impliqué dans la Initiative d'usine ouverte, dans laquelle des chercheurs de différentes institutions (l'Université de Cambridge, le John Innes Center et l'Earlham Institute) ont travaillé ensemble sur la biologie synthétique et l'évolution pour améliorer la photosynthèse. Après avoir travaillé comme bioinformaticien dans le cadre du Projet ENSA qui vise à utiliser la fixation biologique de l'azote pour augmenter durablement les rendements des petits exploitants agricoles en Afrique (https://www.ensa.ac.uk/), il a rejoint le CRAG en septembre 2021 pour démarrer son propre groupe de recherche en Biologie Synthétique Végétale et Photosynthèse.

Jae-Seong est un scientifique coréen passionné par biologie computationnelle. Il a travaillé comme chercheur postdoctoral au Centre de régulation génomique (CRG, Barcelone) dans un groupe de pointe spécialisé dans la bio-ingénierie chez les bactéries (par exemple, la modification des protéines sécrétées dans le genre Mycoplasma). en septembre 2019, Jae-Seong est passé des bactéries aux plantes lorsqu'il a créé son propre groupe dédié à l'étude de la régulation des gènes chez les microalgues (c'est-à-dire les micro-organismes photosynthétiques unicellulaires). Plus précisément, son groupe travaille avec Chlamydomonas étudier l'effet des mutations dans les régions promotrices (c'est-à-dire les séquences d'ADN trouvées en amont des corps géniques qui modulent l'activation transcriptionnelle ou la répression d'une séquence donnée codant pour une protéine) sur l'expression génique. Les données recueillies au laboratoire sont ensuite calculées et utilisées pour modéliser les niveaux d'expression des gènes d'intérêt chez les microalgues.

Jae-Seong trouve que Chlamydomonas est un système presque parfait, entre les bactéries à croissance rapide et les plantes à croissance lente. Il peut également être facilement exploité comme bio-usine pour produire des molécules d'intérêt pharmaceutique, étant donné que sa production peut être évolutive - de petits flacons en laboratoire à des volumes importants dans l'industrie.

Cependant, les mécanismes qui régulent l'expression des gènes sont plus compliqués chez les eucaryotes que chez les bactéries (tels que les interactions complexes entre les facteurs, le remodelage de la chromatine, l'interaction des promoteurs avec les activateurs et les terminateurs, etc.) et l'expression d'un gène exogène dépend du contexte (connu comme effet de position) car il est introduit de manière aléatoire dans le génome.

Parlons de la conférence… Pourquoi avez-vous décidé d'organiser cette conférence ?

Avec l'intégration de jeunes chercheurs (Jae-Seong, Ivan et, plus récemment, Robertas Ursache), un programme de recherche antérieur a évolué pour devenir le pilier « Biologie synthétique végétale et ingénierie métabolique ». Ivan a déclaré : « Nous souhaitions organiser cette conférence afin de créer des liens avec d'autres biologistes synthétiques végétaux, dans la perspective d'établir de nouvelles collaborations, et également pour promouvoir le débat sur l'utilisation de la biologie synthétique végétale auprès de la communauté scientifique au sens large. » De fait, la réunion a été co-organisée dans le cadre d'une initiative conjointe avec des chercheurs de Le Pôle d'Excellence en Sciences du Végétal (CEPLAS) , un centre leader situé en Allemagne, qui accueillera la prochaine édition en 2024.

Pouvez-vous nous dire quelles ont été les découvertes les plus passionnantes présentées lors de cette conférence ?

Ivan estime que la biologie synthétique végétale a atteint une grande maturité, comme en témoignent les présentations et les posters de grande qualité présentés lors de la conférence. Il s'est notamment enthousiasmé pour l'accessibilité des technologies à la communauté scientifique. Jae-Seong partage cet avis : le développement de nouveaux outils (tels que la génération de cassettes standard pour le MIX & MATCH) facilite les échanges de matériel entre les membres de la communauté scientifique.

Compte tenu de l'évolution rapide de ce domaine, quelles seront les réalisations dans les 5 prochaines années ? Et les futurs défis ?

Selon Ivan, Plant SynBio sera confronté à deux défis principaux. Le premier est le fait que la biologie est complexe et bruyante ; par conséquent, les scientifiques des plantes devraient continuer à apprendre non seulement sur la biologie, mais aussi sur la biologie bruyante. « Nous sommes encore loin de comprendre exactement comment les systèmes fonctionnent et comment stabiliser les traits que nous voulons concevoir afin qu'ils ne soient pas affectés par le bruit ou par les forces de l'évolution. C'est un défi si nous voulons concevoir une nouvelle voie dans une plante, par exemple. Comme l'a dit l'un des orateurs, Le bruit est un problème pour l'ingénierie, mais en biologie, le bruit est là pour rester donc nous ferions mieux d'apprendre à y faire face ».

Le deuxième défi, et probablement le plus important, concerne les aspects juridiques et les enjeux éthiques de Plant SynBio tels que l'acceptation de l'édition du génome dans les cultures, qui jouera un rôle clé dans la génération de plus de lignes de recherche. Jae-Seong est également préoccupé par les préoccupations éthiques et les craintes suscitées par les nouveautés, mais il a également souligné les avantages de ces nouvelles approches pour une agriculture durable. Par exemple, les résultats des recherches en cours sur la régulation des gènes permettront de concevoir ad-hoc séquences régulatrices non seulement dans la plante modèle Arabidopsis thaliana mais aussi dans les grandes cultures comme la tomate et le sorgho.

Quel est l'impact de Plant SynBio sur la société ?

« L'impact de ce nouveau domaine de recherche sur la société peut être énorme. Ces technologies promettent de changer la façon dont nous fabriquons des matières premières, nous produisons des aliments ou même des médicaments », a conclu Ivan.

"Nous pouvons améliorer la production végétale de vitamine E, une molécule antioxydante qui protège les tissus des dommages causés par une forte luminosité ou la salinité du sol", a ajouté Jae-Seong.

Bien sûr, ce n'est pas une solution miracle et, comme toute autre technologie, elle a ses limites. Il est important que les scientifiques et le grand public soient impliqués dans le débat.

Sommes-nous prêts pour la prochaine révolution verte ?