Les écosystèmes microbiens représentent une mine d’or pour la prospection de nouvelles fonctions d’intérêt biotechnologique. Pourtant, la majorité des espèces qui composent ces communautés complexes ne sont pas cultivées et constituent une boîte noire dont le fonctionnement est difficile, voire impossible à étudier. Pour faire face à ces enjeux, le TBI et TWB , en collaboration avec l’unité INSERM I2MC, ont intégré microbiomics et microfluidique en gouttes pour développer une nouvelle stratégie de criblage à ultra-haut débit pour la culturomique, la métagenomique fonctionnelle, l’ingénierie d’enzymes, de souches et de consortia microbiens. Deux technologies de rupture, qui ne reposent ni sur l’utilisation de substrats fluorogéniques ni sur des banques fluorescentes, ont été développées et brevetées par l’INRAE. Elles sont actuellement exploitées dans le cadre du projet ANR CAZIBD pour décrypter le dialogue hôte-microbiote-aliment, et du projet européen BLUETOOLS dédié à l’étude et l’exploitation biotechnologique des écosystèmes marins.
La microfluidique permet de coupler isolement à ultra-haut débit et culture de microorganismes en gouttes et caractérisation phénotypique, taxonomique et génomique. Néanmoins, les technologies existantes requièrent soit des banques de cellules recombinantes marquées, des marqueurs de survie cellulaire, ou des sondes ou substrats fluorogeniques ou chromogeniques. Elles ne sont donc pas adaptées à la mise en culture et au criblage de microorganismes natifs, ni à l’utilisation de substrats non modifiés chimiquement, présents naturellement dans les écosystèmes microbiens. Ces verrous limitent la compréhension du fonctionnement des écosystèmes à leur exploitation biotechnologique.
Deux technologies de rupture, basées sur des principes différents, ont été développées. La première intègre microfluidique à gouttes, imagerie, intelligence artificielle et cytométrie en flux pour la détection et le tri automatisé des gouttes positives, à une cadence de l’ordre de 105 goutellettes par heure. La seconde technologie, dédiée à la culturomique et à l’ingénierie de souches et consortia, couple directement microfluidique en gouttes et cytométrie en flux pour la sélection de microorganismes en croissance, à une cadence de 106 gouttes par heure. Avec une échelle de l’ordre du picolitre, un million de fois inférieur aux volumes d’échantillons utilisés avec les techniques de criblage phenotypiques conventionnels, ces technologies sont compatibles avec tout type de substrat quel que soit son coût, et le criblage de tout phénotype, dès lors qu’il puisse être détecté par microscopie confocale ou lié à la croissance des cellules microbiennes.
Les technologies développées peuvent être exploitées pour la métagénomique fonctionnelle, la culturomique, l’ingénierie d’enzymes même en utilisant des systèmes acellulaires, l’ingénierie de souches ou de consortia, par exemple pour la production d’antimicrobiens ou pour la dégradation de polymères synthétiques polluants tels que les plastiques.
Valorisation
Exploitation de ces technologies dans le cadre du projet ANR CAZIBD (Mucus-degrading enzymes and their role in intestinal inflammation) et le projet HORIZON BLUETOOLS (Innovative tools for sustainable exploration of marine microbiominnovative tools for sustainable exploration of marine microbiomes: towards a circular blue bioeconomy and healthier marine environments)
Brevets
- S. Lajus, Flores-Flores R., Lestrade D., Deroite A., Dagkesamanskaya, Potocki-Veronese G. A
new droplet micro-to-milli-fluidics-based process to screen for phenotypes or biological processes.
Brevet européen déposé par INRAE le 20/05/2022 sous le N°EP22305758.9
- S. Lajus, Lestrade D., Deroite A., Dagkesamanskaya, Potocki-Veronese G. New milli-to-microfluidics-based process to screen microbial growth in droplets. Brevet européen déposé par INRAE le 20/05/2022 sous le N° EP22305759.7
Contacts
Gabrielle Potocki-Veronese (veronese@insa-toulouse.fr)
Sophie Lajus (lajus@insa-toulouse.fr)
Delphine Lestrade (delphine.lestrade@inrae.fr)
Légende et copyright image : Apprentissage pour la détection automatisée et le tri de gouttes pour le criblage à ultra-haut débit de fonctions microbiennes (Sophie Lajus et Remy Flores-Flores)
