Une nouvelle technologie permet d'optimiser les enzymes pour l'industrie
Des chercheurs de l'institut Fraunhofer prévoient de créer une entreprise
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Les enzymes recèlent un immense potentiel pour améliorer l'efficacité de la fabrication industrielle et ouvrir la voie à de nouvelles méthodes de production. Cependant, leur adaptation à des applications spécifiques est un processus complexe. Dans le cadre du projet ZenBio, les chercheurs de l’institut Fraunhofer à Potsdam développent une plateforme automatisée visant à accélérer ces travaux en combinant la synthèse protéique acellulaire et la conception d’enzymes assistée par l’IA. Cette plateforme permettra aux entreprises de développer des enzymes adaptées plus rapidement et à moindre coût.
Les enzymes sont essentielles à un large éventail de procédés industriels. En tant que biocatalyseurs, elles jouent un rôle clé dans la production de principes actifs pharmaceutiques, de produits chimiques de spécialité et d’ingrédients cosmétiques, tout en étant indispensables à l’industrie agroalimentaire. Les enzymes permettent à de nombreuses réactions chimiques de se produire dans des conditions plus douces, ce qui permet d’économiser de l’énergie et de rendre les procédés existants plus efficaces et plus respectueux de l’environnement.
La biologie moléculaire, le génie génétique et la bioinformatique peuvent être utilisés pour optimiser les enzymes en vue d’applications industrielles. Des modifications ciblées du code génétique d’une enzyme peuvent lui permettre d’agir plus rapidement, de rester fiable même dans des conditions de procédé exigeantes ou de contrôler les réactions chimiques avec une plus grande précision. Les méthodes de calcul modernes et l’intelligence artificielle peuvent soutenir ce processus en aidant à identifier plus rapidement les variantes enzymatiques adaptées.
Nouvelles approches de la conception enzymatique
Néanmoins, le développement d’enzymes sur mesure reste un processus gourmand en ressources. Les relations complexes entre la séquence génétique, la structure tridimensionnelle et la fonction enzymatique rendent les prédictions précises difficiles. L’un des principaux obstacles réside dans le manque de données expérimentales sur la manière dont les modifications génétiques affectent la fonction enzymatique.
C’est là qu’intervient le projet ZenBio. Des chercheurs de l’Institut Fraunhofer de thérapie cellulaire et d’immunologie, branche Bio-analyses et Bioprocédés (IZI-BB) à Potsdam, développent une plateforme automatisée qui utilise la synthèse protéique acellulaire pour générer de grands volumes de données « séquence-fonction » destinées à la conception d’enzymes assistée par l’IA. Cela permettra d’accélérer le processus de production et d’analyse de variantes enzymatiques, ainsi que leur transformation en biocatalyseurs hautement performants destinés à des applications industrielles.
Le projet répond aux exigences spécifiques des procédés industriels. « Les enzymes sont naturellement adaptées aux conditions des organismes dans lesquels elles se trouvent », explique Simon Krebs, biotechnologiste à l’IZI-BB. « Les procédés industriels, en revanche, imposent souvent des exigences très différentes. Les enzymes peuvent devoir résister à des températures plus élevées, à des niveaux de pH modifiés ou à des solvants organiques. Dans le cadre du projet ZenBio, nous adaptons les enzymes à ces applications, ouvrant ainsi la voie à de nouveaux procédés de fabrication difficiles à réaliser avec la chimie conventionnelle. »
La synthèse protéique acellulaire et l’IA accélèrent la conception des enzymes
« L’IA ne peut apprendre qu’à partir de ce qui a été mesuré expérimentalement », explique Benedikt Dechamps, ingénieur industriel au Fraunhofer IZI-BB. « C’est pourquoi nous cherchons à produire autant de variantes enzymatiques que possible et à étudier leur fonctionnement. Cela nous permettra de constituer systématiquement un ensemble de données à partir duquel l’IA pourra apprendre et proposer de nouvelles variantes prometteuses. »
Ce qui distingue cette approche, c’est le recours à la synthèse protéique acellulaire, qui permet à l’équipe de cribler un grand nombre de variantes enzymatiques en peu de temps. Les chercheurs combinent le plan génétique de l’enzyme souhaitée avec un extrait cellulaire contenant tous les composants essentiels nécessaires à sa production. L’enzyme est alors synthétisée directement dans l’extrait. À l’inverse, les méthodes conventionnelles basées sur des cellules prennent plusieurs jours, car les cellules productrices d’enzymes doivent d’abord être cultivées. De plus, certaines variantes enzymatiques sont difficiles à produire dans des cellules vivantes ou ne se replient pas pour adopter une forme fonctionnelle.
Comme les enzymes sont produites dans un extrait cellulaire plutôt que dans des cellules vivantes, les chercheurs peuvent miniaturiser le processus et ajuster avec précision les conditions de réaction. À l’avenir, une station de pipetage robotisée produira et analysera en parallèle jusqu’à 1 500 variantes différentes d’une même enzyme. En l’espace de quelques heures seulement, l’équipe peut déterminer si chaque variante résiste à des facteurs tels que la température, le pH ou un solvant. La plateforme d’IA développée dans le cadre du projet utilise les données obtenues pour identifier les relations entre les séquences enzymatiques et les propriétés, et pour proposer de nouvelles variantes prometteuses.
« Chaque expérience nous apprend quelque chose de nouveau que nous pouvons appliquer au cycle de conception suivant », explique Holly Corbett, experte en IA au Fraunhofer IZI-BB. « Cela nous permet de concevoir des enzymes étape par étape pour des applications industrielles, apportant ainsi une contribution importante à une industrie chimique performante et durable. Pour moi, c’est du savoir-faire d’ingénierie au niveau moléculaire. »
L’équipe a déjà achevé la première phase du flux de travail automatisé. Elle va désormais poursuivre la miniaturisation et l’automatisation de la plateforme, puis la tester avec une première classe d’enzymes.
Les chercheurs du Fraunhofer prévoient de créer une entreprise
Krebs et Dechamps se sont rencontrés grâce à AHEAD, un programme de financement du Fraunhofer destiné aux start-ups. Corbett a ensuite rejoint l’équipe en tant que responsable de la plateforme d’IA. Le ministère fédéral allemand de l’Économie et de l’Énergie (BMWE) finance le projet par le biais de son programme « exist Research Transfer ». Ce financement permettra à l’équipe de poursuivre le développement et l’automatisation de la plateforme, puis de la valider à l’aide d’une première classe d’enzymes. L’équipe prévoit ensuite de lancer ses premiers projets pilotes avec des clients industriels et de créer la spin-off ProEvo.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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