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Les systèmes cell-free sont principalement utilisés pour la synthèse de protéines in-vitro et peuvent être considérés comme un outil puissant dans la reprogrammation du code génétique, impliquant le codon « amber ». Dans cette utilisation, des acides aminés non protéinogènes sont incorporés dans les protéines en les chargeant sur des molécules d’ARNt suppresseurs qui reprogramment les codons existants en reconnaissant les codons stop et en insérant à leur niveau les acides aminés non protéinogènes. Cependant, les systèmes cell-free sont également utilisés pour l’ingénierie de circuits génétiques avec des applications en biologie de synthèse et en génie métabolique.
Les systèmes cell-free sont reconnus comme outils puissants pour la synthèse protéique alors qu’ils offrent aussi des solutions intéressantes pour la chimie fine ou encore le prototypage en biologie synthétique.
Tout d’abord, les systèmes cell-free sont de plus en plus utilisés comme outils de prototypage en biologie synthétique car leur utilisation accélère la mise en œuvre dans les cellules vivantes (Chiao et al., 2016). En effet, les cycles d’ingénierie qui comprennent la conception et la construction jusqu’à l’étape des essais sont plus rapides dans les systèmes cell-free, prenant moins de 8 heures par cycle, comparativement aux systèmes E. coli qui prennent plusieurs jours (Sun et al., 2014).
En plus de cette rapidité, les systèmes cell-free ont l’avantage d’agir comme «support d’essais biomoléculaires « puisqu’ils préservent les mécanismes endogènes de transcription-traduction d’E. coli (Sun et al., 2013). Ainsi, après avoir été testés dans des systèmes cell-free, des circuits génétiques modifiés peuvent être implémentés dans un système in-vivo. Par exemple, les éléments constitutifs de la régulation de l’ADN, comme les promoteurs sigma70 et les RBS, ont eu les mêmes effets relatifs sur la force de transcription et de traduction dans E. coli que dans les systèmes cell-free (Chappel et al., 2013). Ces derniers ont également été utilisés pour le prototypage rapide de la synthèse du butanediol-1,4 (Wu et al., 2017).
D’autre part, des systèmes cell-free peuvent être utilisés pour synthétiser des produits chimiques fins (Dudley et al., 2015). A titre d’exemple, l’extrait cellulaire de la souche d’E. coli KO tpi a été utilisé pour convertir le glucose bon marché (GLC) en dihydroxyacétone phosphate (DHAP). Un équivalent de DHAP a été produit par équivalent de GLC. L’absence de triose- phosphate isomérase (tpi) a permis l’accumulation de DHAP et l’absence d’AMP nucleosidase (AMN) a empêché la dégradation catalytique de l’ADP et de l’ATP. Au final, le DHAP a été converti en monosaccharide 5, 6, 7-trideoxy-D-thréoheptulose-1-phosphate (TDHP) non naturel à l’aide d’aldolase FbaA endogène d’E. coli (Bujara et al., 2010).
Enfin, des systèmes cell-free ont été aussi utilisés pour synthétiser des produits pharmaceutiques naturels, comme les polykétides (PK). Un autre exemple concerne les peptides non ribosomiques (PNR), qui ont été produits à l’aide de systèmes cell-free comme alternative à l’extraction ou à la synthèse chimique : l’érythromycine (PK), la doxycycline (PK) et la daptomycine (NRP) sont des antibiotiques importants. Pour illustrer l’efficacité des systèmes sans cellules, 12 mg/L de dicétopipérazine D-Phe-L-Pro ont été produits à l’aide d’un système cell-free codant pour les enzymes GrsA et GrsB1 nécessaires à la formation du dicétopipérazine (DKP) (Li et al., 2018).
En conclusion, la flexibilité offerte par la nature ouverte des systèmes cell-free en fait une plateforme puissante pour la production de protéines in-vitro, mais aussi pour la chimie fine, les produits naturels pharmaceutiques ou pour les outils de prototypage en biologie synthétique.
Authors & sources
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Sun Z.Z., Yeung E., Hayes C.A., Noireaux V., Murray R.M. 2014. Linear DNA for rapid
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