Génie enzymatique et cellulaire (GEC) – UMR CNRS 7025

Occupant une place de choix dans le paysage de la recherche française, le laboratoire GEC joue un rôle fédérateur des recherches en biologie au niveau de la région Hauts-de-France, en associant, au sein d’une même unité, l’UTC et l’université de Picardie Jules Verne à Amiens (UPJV). À mi-chemin entre la biologie et la chimie, l’unité est rattachée aux instituts des sciences biologiques et de chimie du CNRS.

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Objectifs

Les recherches menées au sein de l'unité GEC s'appuient sur le postulat que les solutions aux défis scientifiques majeurs se trouvent dans la nature. Elles combinent trois approches : l'utilisation des bioressources, la bioinspiration et le biomimétisme.

Forte de son expertise en biotechnologie reconnue internationalement, l'unité GEC développe différents modèles, de niveaux de complexité variés, pour expliquer la dynamique des phénomènes biologiques et proposer des solutions innovantes répondant à des problématiques scientifiques et sociétales.

Les activités de l'unité GEC s'articulent ainsi naturellement entre l'exploitation des bioressources et du métabolisme végétal et la création de matériaux bioinspirés ou de mimes moléculaires destinés à la reconnaissance.

Équipes et thèmes de recherche

Le GEC réunit 2 grands thèmes tout en développant des activités transversales :

Thème Métabolisme végétal et bioressources

Ce thème aborde un ensemble d'aspects scientifiques liés notamment à la connaissance des systèmes lipidiques, dans le but d'améliorer la production d'huiles végétales et/ou de produire des acides gras inhabituels, et à la valorisation des bioressources par traitement raisonné de la biomasse, profitant ainsi pleinement de son ancrage dans le territoire picard. En ce sens, les recherches tirent des bénéfices de la plante entière pour identifier des procédés originaux écoresponsables, dont les produits finaux sont valorisables en bioraffinerie. Émergent également, dans ce thème, d'autres centres d'intérêt qui suscitent actuellement une attention croissante : l'étude des interactions hôte-pathogène et des mécanismes de défense de la plante, ainsi que l'étude de l'impact des changements climatiques sur le métabolisme lipidique.

Thème Biomimétisme et diversité biomoléculaire

Dans ce thème se complètent deux approches, centrées autour du biomimétisme et de la bioinspiration : la première approche développe un ensemble de technologies ayant pour but de générer artificiellement de la diversité moléculaire pour y puiser des bio-composés d'intérêt capables d'interagir avec une cible identifiée. Les diversités mesurées peuvent atteindre plus d'un milliard, ce qui, dans le cas des anticorps par exemple, se rapproche de la diversité naturelle générée par le système immunitaire. La seconde approche développe des matériaux fonctionnels nanostructurés dédiés à la reconnaissance moléculaire. Ces matériaux, dont les performances de reconnaissance sont comparables à celles des anticorps, couvrent tous les domaines d'application (santé, agro-alimentaire…) et peuvent également s'intégrer dans des études fondamentales.

Partenariats académiques

Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM), Institut national de la recherche agronomique (INRA), Lund University (Suède), Queen Mary University (Londres, Royaume-Uni), université de Picardie Jules Verne (Amiens)…

Projets

Le laboratoire développe des projets en collaboration avec d'autres partenaires académiques en France et à l'étranger, en particulier sur l'ITE PIVERT.

Projet région Hauts-de-France

Les matériaux biodégradables d'origine naturelle ou synthétique ont un rôle de plus en plus important dans notre société, dans l'emballage, l'agriculture ou la médecine. Ainsi, l'équipe travaille sur les systèmes de vectorisation qui s'orientent actuellement vers des matériaux biodégradables, capables d'interagir spécifiquement avec des cibles, et d'activités modulables ou contrôlables.

Dans le projet BIOMIP, l'équipe propose une nouvelle approche pour développer des matériaux polymériques biodégradables par voie enzymatique. Ce projet vise à concevoir et développer de nouveaux matériaux multifonctionnels à des fins biomédicales ou environnementales.

Projets ITE PIVERT, programme Genesys

› ANOI a pour objectif de déterminer l'identification et la classification des plantes oléagineuses d'intérêt, puis d'améliorer la productivité des cultures oléagineuses de quatre plantes modèles.

› MetaLipPro-PL1 constitue une phase d'acquisition de connaissances qui permet de compléter nos connaissances du métabolisme lipidique à la fois chez les plantes et chez les levures. Il s'agit aussi d'établir les bases en vue de développer une plateforme pilote pour la production de lipides et leur extraction.

› Le travail proposé et qui sera développé dans le Projet 5 VARIA-PRO permettra d'établir des bases sur les associations variétés / environnement pédoclimatique, de suivre l'évolution des caractères d'intérêt sélectionnés au cours du temps et de trouver, à terme, des solutions de protections efficaces des cultures.

› COPIBIOM, sur une durée de 3 ans et en coopération avec le laboratoire TIMR, l'UPJV et le Centre de valorisation de glucides (CVG, Amiens), vise la caractérisation et l'étude des nouveaux prétraitements de la biomasse ligno-cellulosique humide et sèche.

Projet européen

SAMOSS permet d'améliorer le développement de biocapteurs en combinaison avec les techniques de détection optochimique dans les domaines d'application et par une plus large diffusion de la connaissance. SAMOSS va créer un centre européen d'excellence pour la formation de jeunes chercheurs dans la recherche et le développement de biocapteurs adaptés aux applications dans la médecine, les technologies de l'alimentation et boissons ainsi qu'aux questions environnementales.

Projets ANR

› Le projet HOLOSENSE vise à développer des biocapteurs holographiques basés sur des polymères biomimétiques à empreintes moléculaires (MIP) comme éléments de reconnaissance. Les MIP sont des récepteurs synthétiques avec des affinités et sélectivités qui sont comparables à ceux des anticorps ou enzymes, mais avec une stabilité nettement plus grande. Ils sont obtenus en polymérisant des monomères en présence d'une molécule "template" (équivalent au gabarit d'un moule). Ce type de capteur économique et stable, basé sur un MIP comme élément de reconnaissance et sur un hologramme comme transducteur, a beaucoup de potentiel pour des analyses dans les domaines du biomédical, de l'agro-alimentaire et de l'environnement, dans l'industrie et même dans la vie courante.

› Le projet AcCatPat porte sur l'étude des anticorps dotés de propriétés catalytiques. Il comprend l'analyse de la pertinence physiopathologique des anticorps catalytiques chez l'humain, l'identification des gènes V qui codent des anticorps ayant une activité catalytique, et le développement d'outils de recherche dédiés à déchiffrer la structure moléculaire des anticorps catalytiques, l'ontogenèse et les processus de sélection des lymphocytes B qui les produisent.

› Le projet PT-Flax fournit de nouvelles informations génomiques détaillées sur les fibres et graines de lin et une importante ressource biologique (base de données phénotypiques et plate-forme de TILLinG) qui se révélera extrêmement utile dans les futurs projets de lin génomique.

Projet Sorbonne Université

Les microcystines (MC) sont des métabolites secondaires sécrétés par des cyanobactéries, organismes pouvant proliférer dans les milieux aquatiques. Les MC sont toxiques pour les organismes aquatiques, les animaux terrestres et les humains, dès lors qu'elles sont en concentration élevée dans les eaux de consommation. Ce constat a conduit l'Organisation mondiale de la santé (OMS) à établir des valeurs seuils de contamination. Pour respecter ces seuils, des techniques de détection doivent être mises en place. Les approches actuelles présentent des limites que les immunotechnologies pourraient dépasser.

Ainsi, le projet SelAcMC vise à sélectionner des fragments d'anticorps dirigés contre les microcystines, pour la mise au point de tests d'immunodétection dans les écosystèmes. L'approche principale de ce projet repose sur l'exploitation de la technologie du Phage Display afin d'identifier une ou plusieurs séquences d'anticorps susceptibles de reconnaître spécifiquement l'un des variants les plus répandus de la MC. Une approche parallèle de rationalisation par modélisation moléculaire et bioinformatique est également envisagée.

Zoom sur deux projets

Ce sont les rois du moulage, mais à l'échelle des molécules. L'équipe de Karsten Haupt du laboratoire Génie enzymatique et cellulaire (GEC) s'est spécialisée dans la fabrication de polymères par impression moléculaire.

"Nous moulons de la résine autour d'une molécule cible, une molécule que l'on souhaite bloquer ou inhiber par exemple. La forme obtenue va fonctionner ensuite comme un anticorps, molécule naturelle qui assure la défense immunitaire de notre organisme et qui vient se fixer sur une cible pour la neutraliser."

Ces polymères synthétiques peuvent ensuite remplacer les anticorps dans leur usage habituel avec certains avantages : "Les polymères sont plus stables que les anticorps à température ambiante, souligne Karsten Haupt. Et parfois, il est très difficile de fabriquer des anticorps lorsque les molécules cibles sont trop petites." L'équipe du GEC réussit même à fabriquer des particules de polymères réticulés de très petites tailles, de quelques nanomètres : "nous travaillons à l'échelle des nanoparticules, ce qui les rend solubles et nous permet d'obtenir des propriétés nouvelles."

En 2004, une start-up, PolyIntell, est née dans le sillage de ces travaux. Elle fournit des kits pour les analyses biomédicales et agro-alimentaires. "Les polymères peuvent, par exemple, mettre en évidence des mycotoxines dans les produits alimentaires." Les polymères à empreintes sont également très précieux pour séparer deux molécules proches par la structure. "Dans le domaine pharmaceutique, beaucoup de médicaments ont deux formes très proches appelées énantiomères : l'une thérapeutique et l'autre parfois dangereuse pour la santé" Grâce à son empreinte ultra-précise, le polymère va réussir à faire la différence entre les deux.

Enfin, l'équipe de Karsten Haupt étudie l'usage du polymère directement comme médicament. "On moule la résine sur une enzyme. Ce polymère deviendra un inhibiteur qui agira comme un anticorps dirigé contre l'enzyme." Avec l'avantage de pouvoir agir de façon ultra-ciblée, ce qui évite les effets secondaires. De plus, alors que les anticorps injectés peuvent être rapidement dégradés par d'autres enzymes, le polymère est moins attaquable et reste plus longtemps et en plus grand nombre dans le corps. Reste à savoir comment il est éliminé de l'environnement. "Nous travaillons à la fabrication de résine à base de molécules biologiques d'origine végétale, qui sont biodégradables."

D'un côté, il existe les anticorps, ces protéines produites par le système immunitaire en réponse à une attaque extérieure. "Chaque individu peut produire plus de mille milliards d'anticorps différents", confirme Alain Friboulet, directeur du laboratoire de Génie enzymatique et cellulaire (GEC) de l'UTC. La structure de ces anticorps forme un beau Y. De l'autre côté, les enzymes – des molécules beaucoup moins nombreuses que les anticorps – ont la capacité d'accélérer les réactions chimiques au cœur de la cellule. "Notre objectif a été de faire acquérir aux anticorps la capacité de biocatalyse des enzymes afin de profiter de leur très grande diversité."

Pourquoi une telle recherche ? Les enzymes sont en nombre limité. Or, pour certaines tâches, par exemple le "nettoyage" de certains sols contaminés par des pesticides, nous ne possédons pas les enzymes capables de dégrader ces molécules. Autre intérêt majeur, les anticorps sont propres aux systèmes immunitaires des mammifères. Leur donner de nouvelles possibilités d'action via les enzymes, c'est ouvrir la voie à de nouveaux traitements.

"À l'UTC, nous avons imaginé une méthode réellement logique pour aboutir." Schématiquement, les biologistes de l'UTC avancent par système d'empreintes successives en faisant produire le tout par des souris. "Il s'agit de transférer la machinerie de l'enzyme dans le site de fixation de l'anticorps. " Une fois le gène de l'anticorps catalytique récupéré, on peut le reproduire en quantité, d'où l'avantage du système biologique.

En avançant dans ses recherches, l'équipe de l'UTC a vu que la nature les avait devancés. "Dans le cas de maladies auto-immunes comme la sclérose en plaque, certains anticorps qui s'attaquent à la myéline du système nerveux sont catalytiques", remarque Alain Friboulet. Cette découverte ouvre de nombreuses pistes pour agir en protection dans les maladies en recherchant des anticorps de protection. Un nombre constant de greffés du rein font un rejet après deux ans en raison d'une nécrose des vaisseaux autour du greffon. "On a détecté chez ceux qui ne faisaient pas de rejet la présence d'anticorps catalytiques." Il y a donc un moyen d'avoir une méthode diagnostique sur la présence ou non d'anticorps catalytiques et d'agir en amont sur la coagulation du sang. Concernant la sclérose en plaque, les chercheurs de l'UTC collaborent avec des organismes de recherche russes. Des études sur l'hémophilie acquise sont également en cours avec une équipe Inserm de l'Institut des Cordeliers.