BIOSYNTH – « Plateforme micro-modulaire pour les futurs stockages de masse à partir de la biologie synthétique »

Exemples d'application pour la biologie synthétique. © Fraunhofer IPMS / Examples d'applications pour la biologie synthétique. © Fraunhofer IPMS

ADN, ARN et PEPTIDE en tant que support de stockage du futur – projet BIOSYNTH. © Fraunhofer IPMS / ADN, ARN et PEPTIDE en tant que support de stockage du futur – projet BIOSYNTH. © Fraunhofer IPMS

Le projet BIOSYNTH est financé par la société Fraunhofer et vise à développer une nouvelle plateforme de microprocesseurs permettant une biosynthèse sans cellules, efficace et contrôlable numériquement. L'institut Fraunhofer pour les microsystèmes photonique IPMS dirige le consortium et travaille en collaboration avec l'institut de toxicologie et de médecine expérimentale ITEM ainsi qu'avec l'institut de thérapie cellulaire et d'immunologie, faisant partie de Bioanalytik und Bioprozesse IZI-BB, sur des technologies qui pourront notamment être utilisées pour de futurs mémoires de masse à très haute densité de stockage ou dans le dépistage de substances toxiques en toxicologie humaine.

Qu'est-ce que la biologie synthétique ?

La biologie synthétique est un domaine de recherche qui vise à concevoir, reproduire ou modifier des systèmes biologiques en laboratoire. Cela se fait par le développement de composants standardisés pouvant être assemblés précisément en de nouvelles unités.

L'ADN synthétique peut être utilisé pour le stockage et la compression de données binaires, où l'écriture d'ADN sur des microprocesseurs représente encore un grand défi, mais aussi une opportunité significative. Les informations peuvent être stockées à haute densité sur des microprocesseurs en disposant de paires de bases de manière spécifique et contrôlable numériquement en trois dimensions.

Par ailleurs, le consortium explore d'autres applications de la biologie synthétique, telles que la détection de agents pathogènes dans les eaux usées — c'est-à-dire des approches sensorielles. Ces sujets seront notamment discutés lors d’un atelier destiné aux utilisateurs dans le cadre du sommet SynBioReactor de la Société allemande de biologie synthétique le 21 août à Berlin-Adlershof.

Comment BIOSYNTH contribue-t-il à l'amélioration des processus ?

Le projet BIOSYNTH vise à améliorer la performance actuelle de la synthèse microbiologique en regroupant l'expertise de trois instituts Fraunhofer. À l'aide de technologies micro-systémiques modernes, il explore une plateforme universelle de microprocesseurs pouvant être utilisée pour écrire de l'ADN, de l'ARN et des peptides. Les méthodes de synthèse actuelles, par exemple par « spotting », sont inefficaces, notamment pour la production de longs segments d'ADN, et sujettes à des imprécisions, dont la correction est à la fois longue et coûteuse. De plus, la technologie des appareils existants est volumineuse et coûteuse.

« Le projet BIOSYNTH cherche donc à explorer les bases micro-systémiques et biologiques pour une synthèse microbiologique à haut débit avancée dans des microprocesseurs hautement intégrés, équipés de composants thermiques, photonique et fluidiques, qui peuvent adresser à la fois des mémoires de masse biologiques à densité de stockage extrême et une résistance à l'âge, ainsi que des applications en biologie, biochimie ou écologie appliquée », explique le Dr Uwe Vogel, chef de consortium du Fraunhofer IPMS.

Les chercheurs développent une plateforme basée sur des techniques de fabrication de microprocesseurs classiques, permettant d’écrire des séquences nucléotidiques (ADN, ARN ou peptides) définies par logiciel. Cette plateforme permet, par exemple, de mettre en œuvre des mémoires de masse biologiques pour des procédés à haute parallélisation et débit, similaires aux processus de production volumineux de l'industrie microélectronique. La plateforme, conçue et fabriquée avec des méthodes de microélectronique, intègre des cellules de réaction miniaturisées au niveau micrométrique, avec des volumes de réaction dans la plage des picolitres, pour la synthèse sans cellules dans un réseau d'activités programmable. Grâce à des composants thermiques et photonique spécifiques ainsi qu'à la fonctionnalisation de la surface de chaque cellule de réaction, il devient possible de transporter, immobiliser, activer et surveiller les conditions et résultats du processus.

Le Fraunhofer IPMS développe le circuit intégré du backplane CMOS, qui sert à contrôler et lire les microchauffages pour la biosynthèse. Ce circuit est également utilisé pour les pixels OLED et détecteurs de photons dans la configuration du réseau d'activités, ainsi que pour une plateforme de test correspondante. De plus, l'institut est responsable du développement de la couche « Thermo » de la plateforme microprocesseur, qui permet la régulation de la température pour la synthèse biologique via des structures de surface micromécaniques, similaires à la technologie des transducteurs ultrasonores micromécaniques capacitifs (CMUT). L'institut apporte également son expertise en simulation de la fonctionnalité thermique. Une autre tâche du projet consiste à mettre en œuvre une technologie MEMS permettant d’intégrer des composants organiques tels que des diodes électroluminescentes et photodiodes pour la surveillance du processus de synthèse. Ensuite, des chercheurs du Fraunhofer IZI-BB à Potsdam réaliseront la synthèse en utilisant la plateforme microprocesseur.

Quelles sont les applications possibles ?

Outre le stockage de données de masse, d'autres applications existent pour la biologie synthétique (voir aussi la figure 1). Par exemple, le Fraunhofer ITEM travaille sur des méthodes de codage dans des composants biologiques, notamment des codes correcteurs d’erreurs et des techniques de compression. Il est ainsi possible de coder des images à faible hétérogénéité de pixels dans l'ADN, en brisant les bases répétitives avec un masque aléatoire et en stockant les données dans des plasmides. La recherche porte sur le stockage d'images dans l'ADN et la possibilité de récupération sans erreur, avec un schéma de codage permettant la compression et évitant les décalages d’image causés par des erreurs.

Le Prof. Christoph Schäfers, directeur de l’Institut de biologie moléculaire et d’écologie appliquée du Fraunhofer IME, explique un autre domaine d’application de la biologie synthétique : « Le dépistage en toxicologie humaine utilisant la biologie synthétique exploite des systèmes biologiques artificiellement créés pour tester les effets de substances sur le corps humain. Cette méthode permet de détecter et d’analyser précocement des effets potentiellement nocifs. »

Comment les résultats du projet seront-ils mis en pratique ?

Le projet est soutenu par un groupe de conseillers renommés issus du monde de l’économie, de la science et de la pratique, notamment des experts de l’Université de Marburg, XFAB, Infineon, des Archives fédérales et Hybrotec. Les premiers résultats intermédiaires seront présentés lors du sommet SynBioReactor le 21 août 2024 à Berlin, lors d’un atelier destiné aux utilisateurs. Le Prof. Schäfers sera également présent pour discuter du dépistage en toxicologie humaine. De plus, les participants à l’atelier auront la possibilité d’apporter et de discuter d’idées d’application individuelles dans des îlots thématiques.