La Biofonderie Paris Bioconvergence
Le concept de Biofonderie est au cœur de ce que l’on appelle la 4e révolution industrielle, qui vise, au cours des 30 prochaines années, à remplacer la fabrication industrielle par la fabrication biologique dans tous les secteurs : c’est ce qu’on appelle le « Made by Biology ». La biologie synthétique est une discipline de l’ingénierie biologique qui a pour objectif de concevoir et de fabriquer de nouveaux systèmes biologiques : de nouvelles enzymes, des circuits génétiques, des tissus, voire des organismes. Pourquoi ? Soit pour répondre à des questions fondamentales en biologie, soit pour créer des systèmes artificiels pour des applications biologiques spécifiques.
Le marché de la biologie synthétique est gigantesque : il est estimé à 3 500 milliards de dollars d’ici 2030-2040, dont un tiers pour l’agroalimentaire, un tiers pour la santé, et un tiers pour d’autres applications. Dans la biologie synthétique, nous commençons à voir des applications, notamment des startups, par exemple des tissus en soie d’araignée synthétique, du bio-béton, de l’agriculture cellulaire, mais aussi dans la santé et l’immunothérapie : programmation de lymphocytes pour traiter les cancers, médecine personnalisée (ingénierie du microbiote), vaccins, production de molécules actives par la biologie.
Qu’est-ce qu’une Biofonderie ?
La personne qui conçoit une maison n’est pas la même que celle qui la construit ; cependant, en biologie, c’est actuellement le cas.
Une Biofonderie permet de découpler la phase de construction des phases plus intellectuelles : en gros, on retire les humains des tâches répétitives et fastidieuses, et on les réalise de manière plus reproductible, plus rapide et moins coûteuse. Les humains pourront se concentrer sur les tâches plus intellectuelles : conception, design, analyse de données assistée par ordinateur.
Aujourd’hui, il existe une trentaine de biofonderies dans le monde, mais aucune en France. La construction de la Biofonderie Paris Bioconvergence répondra aux besoins suivants :
- Accélérer la structuration du secteur de la bio-ingénierie : toutes les startups et les laboratoires font de la biologie synthétique de manière très artisanale, sans avoir accès à des équipements souvent très coûteux. L’objectif est de mettre ces équipements au service des laboratoires académiques, industriels et des startups.
- Avoir une structure de formation pour les futurs ingénieurs et chercheurs afin de les initier à cette nouvelle manière de construire en biologie.
- Être un moteur d’innovation : cela permet aux startups, voire aux grands partenaires industriels, d’obtenir leur preuve de concept pour réussir ensuite leurs levées de fonds.
La première Biofonderie Verte au monde
L’idée d’une biofonderie est de remplacer les raffineries de pétrole conventionnelles par des bioraffineries, qui produisent des biomolécules à partir de biomasse. L’un des points clés concerne l’approvisionnement en biomasse pour cultiver des bactéries et des levures dans les biofonderies, qui provient bien sûr de l’agriculture. Dans un contexte où nous sommes déjà 8 milliards et où nous ne savons pas comment nous allons augmenter la production agricole pour nourrir cette population, Stéphane Lemaire a décidé d’adopter une approche différente : il vise une méthode de bioproduction qui ne repose pas sur les cadres classiques, mais sur des microalgues, capables d’utiliser directement le CO2 et l’énergie solaire pour produire le même type de molécules que les autres châssis. La Biofonderie Paris Bioconvergence sera donc la première Biofonderie Verte au monde.
Micrographie électronique à transmission d’une section à travers un flagellé vert unique de Chlamydomonas reinhardtii. C. reinhardtii est un organisme unicellulaire utilisé comme système modèle dans les travaux de génétique moléculaire et les études sur la motilité des flagelles.
Avec qui la Biofonderie travaille-t-elle ?
D’une part, avec des laboratoires académiques, qui pourront réaliser des projets de plus grande envergure et plus ambitieux, leur permettant ainsi d’obtenir des financements internationaux auxquels ils n’avaient pas accès auparavant. Mais également avec des partenaires industriels. L’idée est de créer des partenariats public-privé pour développer des souches, des enzymes, des procédés, générer de la propriété intellectuelle partagée, et donc des projets de R&D public-privé. L’innovation est un aspect fondamental de la biofonderie : son utilisation permettra de déposer des brevets et des licences, mais aussi d’incuber des startups et de leur permettre de prouver leur concept pour lever des fonds. L’idée est de disposer d’un espace dédié, un hôtel à projets, où les gens pourront venir pour une courte durée, à très faible coût, pour profiter de la plateforme et obtenir leur preuve de concept.
Design, Build, Test, Learn
La construction en biologie aujourd’hui est très manuelle et artisanale ; c’est long, fastidieux, plein de biais, très coûteux et on commet beaucoup d’erreurs. Pourtant, nous devons tester de nombreuses combinaisons car nos modèles prédictifs ne sont pas encore performants. Lorsqu’un architecte construit un pont, il n’a pas besoin d’en construire 50 pour sélectionner celui qui tiendra et jeter les autres ! Mais en biologie, c’est ce que nous faisons : nous ne savons pas à l’avance quel design fonctionnera. Nous devons donc améliorer nos modèles prédictifs pour pouvoir, un jour, construire un seul design fonctionnel.
Hillson, N. et al. Building a global alliance of biofoundries. Nat Commun 10, 2040 (2019).
En ingénierie, nous construisons en appliquant le principe Design > Build > Test > Learn, ou cycle DBTL : nous voulons transposer ce concept à la Biofonderie, qui sera donc une structure dédiée aux cycles DBTL à haut débit.
L’idée est d’utiliser la conception assistée par ordinateur, basée sur des modèles numériques, pour le Design des systèmes biologiques ; la construction (Build) sera entièrement automatisée par des robots, sans aucune intervention humaine. De cette manière, nous pourrons générer une centaine de souches par semaine et les tester.
La phase de Test sera réalisée à un débit aussi élevé que possible, grâce à la microfluidique, au FACS, à l’imagerie à haut débit ; mais aussi avec des analyses à débit moins élevé, telles que les analyses -omiques : c’est pourquoi la plateforme sera équipée d’outils pour la protéomique et la métabolomique.
Il sera ensuite nécessaire de pouvoir analyser l’énorme quantité de données générées par ces analyses : c’est la phase Learn. L’apprentissage automatique et l’intelligence artificielle, couplés à des modèles statistiques, aideront à donner du sens aux données, mais aussi à améliorer les modèles utilisés lors de la phase de Design des cycles suivants. Nous entrons donc dans un cycle vertueux qui s’améliore à chaque itération.
Une Biofonderie Distribuée
La Biofonderie Paris Bioconvergence est composée par différents parties.
Biofonderie Sorbonne Université
La Biofonderie de Sorbonne Université est au cœur de ce système, où l’ADN est fabriqué (quelles que soient les applications qui en découlent) sur des cellules de bactéries, de levures et de microalgues. Exemples d’applications :
– Assemblage de chromosomes ou de génomes entiers (génomes à partir de zéro)
– Construction de circuits génétiques
– Construction d’enzymes
– Ingénierie métabolique pour la bioproduction
Mais aussi la production de bioplastiques, la création d’une banque de biobriques, le développement de bases de données standardisées, de modèles prédictifs basés sur l’IA…
Stéphane Lemaire
Responsable de la Biofonderie SU et directeur de recherche au laboratoire de Biologie des Systèmes et Biologie Synthétique des Microalgues à l'IBPS.
Pascal Hersen
Responsable de la plateforme de cellules mammifères et Directeur de l'Unité de Recherche en Chimie Physique Curie (UMR168).
Plateforme de cellules mammifères
Le site de la Biofonderie Paris Bioconvergence dédié aux cellules mammifères est situé à l’Institut Curie. Cette plateforme, clairement orientée vers les applications contre le cancer, utilisera l’ADN produit dans la Biofonderie de Sorbonne Université pour modifier et tester les cellules à grande vitesse.
La Biofonderie Industrielle
Genopole développe sur son site la partie de la Biofonderie Paris Bioconvergence dédiée à l’échelle industrielle et aux relations avec les projets industriels, ainsi qu’à l’utilisation de châssis différents de ceux employés à la Biofonderie Sorbonne Université.
Christophe Lanneau
Responsable de la Biofonderie Industrielle et Directeur du Département de Recherche et des Plateformes à Genopole.
Jean-Loup Faulon
Responsable de la plateforme numérique Galaxy SynBioCAD qui pilotera la Biofonderie, et Directeur de la Recherche au laboratoire MICALIS de l'INRAe.
La Plateforme de Gestion Numérique et la Biofonderie Cell-Free
Tous les sites de la Biofonderie seront robotisés et contrôlés par une solution logicielle agile, open source et améliorée par l’IA, fournie par Jean-Loup Faulon au sein de l’institut MICALIS.
Les outils informatiques et la base de données seront gérés par MICALIS et partagés par tous les sites.
MICALIS est également en charge de la branche de la biofonderie dédiée à la production en systèmes acellulaires (biofonderie cell-free).
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DIM BioConvS
Faculté des Sciences - Université Paris Cité
5 rue Thomas Mann 75013 Paris
