Dégradation d’un anticancéreux dans les eaux usées: Une médaille d’or pour l’équipe GO Paris-Saclay

Abstract

iGEM (pour international genetically engineered machine) est un concours international autour de la biologie synthétique réunissant des étudiants de toutes disciplines (mathématiques, physique, biologie, arts, etc.). « L’objectif est de construire un système biologique fonctionnel complexe, en assemblant des composants individuels moléculaires simples et standardisés (fragments d’ADN), appelés « briques biologiques » (biobriques), sorte de « legos » moléculaires, entreposés au MIT ( Massachusetts Institute of Technology ) (le registry of standard biological parts contient environ 20 000 biobriques). C’est une démarche proche de celle de l’ingénieur qui assemble des circuits électroniques ». En 2004, lors de sa création par le MIT ( → ), la compétition iGEM regroupait une quarantaine de projets ; 14 ans plus tard, elle accueille 350 équipes (6 000 étudiants, avec leurs instructeurs) issues des universités du monde entier. Elle culmine en un Giant Jamboree de quatre jours à Boston en novembre, au cours duquel les équipes présentent leur projet. Le « wiki » de la compétition ( www.igem.org ) présente l’ensemble des projets ainsi que le palmarès. Cette année, ont été décernées 114 médailles d’or, 68 d’argent et 107 de bronze. Neuf équipes françaises étaient engagées.
(→) Voir l’article de J. Peccoud et L. Coulombel, dont certains passages sont repris dans ce « chapo », m/s n° 5, mai 2007, page 551

Full text

PARTENARIAT M/S • ÉCOLES DOCTORALES - MASTERS MAGAZINE
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m/s n° 12, vol. 34, décembre 2018
https://doi.org/10.1051/medsci/2018304
MIT (➜), la compétition iGEM regrou-
pait une quarantaine de projets ; 14 ans
plus tard, elle accueille 350 équipes
(6 000 étudiants, avec leurs ins-
tructeurs) issues des universités du
monde entier. Elle culmine en un Giant
Jamboree1 de quatre jours à Boston en novembre, au cours
duquel les équipes présentent leur projet. Le « wiki » de
la compétition (www.igem.org) présente l’ensemble des
projets ainsi que le palmarès. Cette année, ont été décer-
nées 114 médailles d’or, 68 d’argent et 107 de bronze. Neuf
équipes françaises étaient engagées. <
Compétition iGEM 2018
Une médaille d’or pour l’équipe GO
Paris-Saclay
> iGEM (pour international genetically engi-
neered machine) est un concours interna-
tional autour de la biologie synthétique réu-
nissant des étudiants de toutes disciplines
(mathématiques, physique, biologie, arts,
etc.). « L’objectif est de construire un sys-
tème biologique fonctionnel complexe, en
assemblant des composants individuels molé-
culaires simples et standardisés (fragments
d’ADN), appelés « briques biologiques » (bio-
briques), sorte de « legos » moléculaires,
entreposés au MIT (Massachusetts Institute of
Technology) (le registry of standard biologi-
cal parts contient environ 20 000 biobriques).
C’est une démarche proche de celle de l’in-
génieur qui assemble des circuits électro-
niques ». En 2004, lors de sa création par le
1Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France ;
2Institute for Integrative Biology of the Cell (I2BC), CEA, CNRS,
Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay, Gif-sur-Yvette,
France ;
3MaIAGE (mathématiques et informatique appliquées du
génome à l’environnement), Inra, Université Paris-Saclay,
78350 Jouy-en-Josas, France.
stephanie.bury-mone@i2bc.paris-saclay.fr
philippe.bouloc@i2bc.paris-saclay.fr
sylvie.lautru@i2bc.paris-saclay.fr
Cette équipe a obtenu la médaille d’or
Le problème : la pollution de l’eau
par les médicaments
D’après l’Organisation de coopéra-
tion et de développement économiques
(OCDE), une augmentation drastique
de la consommation de médicaments
a été observée depuis le début des
années 2000. En effet, la consomma-
tion d’antidiabétiques, d’antidépres-
seurs, d’antihypertenseurs et d’hypo-
cholestérolémiants a doublé entre les
années 2000 et 2005 [1]. N’étant pas
complètement métabolisés par le corps
humain, certains médicaments sont
rejetés dans les eaux usées. Ainsi,
plusieurs molécules ont été trouvées
en quantité importante dans les eaux
des effluents proches des hôpitaux,
mais aussi dans les eaux de surface, la
concentration de chaque médicament
pouvant atteindre le microgramme par
litre [2]. Si ces quantités ne semblent
pas alarmantes, elles représentent
néanmoins un réel risque pour l’éco-
système, mais également pour l’être
humain. D’une part, l’accumulation
des antibiotiques dans les eaux contri-
bue à amplifier la résistance bacté-
rienne à ces molécules [3]. D’autre
part, ces substances menacent éga-
lement certaines espèces aquatiques
Dégradation
d’un anticancéreux
dans les eaux usées
Équipe iGEM GO Paris-Saclay 2018
William Briand1, Ousmane Dao1, Guillaume Garnier1, Raphaël Guegan1,
Britany Marta1, Clémence Maupu1, Julie Miesch1, Kenn Papadopoulo1,
Arthur Radoux1, Julie Rojahn1, Yueying Zhu1
Superviseurs : Céline Aubry1,2, Phillipe Bouloc1,2, Stéphanie Bury-Moné1,2,
Arnaud Ferré1,3, Sylvie Lautru1,2, Olivier Namy1,2 et Mahnaz Sabeti-Azad1,2
NOUVELLE
médecine/sciences
médecine/sciences 2018 ; 34 : 1111-4
(➜) Voir l’article
de J. Peccoud et
L. Coulombel, dont
certains passages
sont repris dans ce
« chapo », m/s n° 5,
mai 2007, page 551
1 Mot anglais issu de l’hindi, apparu en 1910, qui désignait
intialement un rassemblement de scouts.
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seulement cinq heures de culture en
présence de bactéries exprimant Cpg2.
Toutefois, l’expression de voies de bio-
transformation de composés toxiques
peut altérer la croissance bactérienne,
ce que nous avons observé dans le cas
des bactéries exprimant à la fois FolC et
Cpg2. Pour résoudre cet obstacle, nous
avons développé un système permettant
l’apparition de deux sous-populations
bactériennes dont une n’exprime pas la
voie de dégradation et donc échappe à
sa toxicité (Figure 2A). Notre stratégie
se fonde sur un système présent dans la
souche de E. coli, EPEC [14]. Elle repose
sur l’expression des protéines Ler (LEE-
encoded regulator) et H-NS, respecti-
vement un activateur et un inhibiteur
de l’activité du promoteur lee5. Lee5
étant un activateur de la transcription,
les gènes sous son contrôle (dans notre
cas, FolC-Cpg2) seront activés ou répri-
més, selon son niveau d’activité. H-NS
est exprimé de façon constitutive. Ainsi,
le contrôle du niveau d’expression de la
protéine Ler nous permet de déterminer
la proportion des deux sous-popula-
tions (Figure 2B). La preuve de concept
de cette stratégie a été testée avec le
gène codant une GFP (green fluorescent
protein), protéine fluorescente verte.
Nous avons modélisé ce système : la
division du travail entre les bactéries
qui dégradent un toxique et celles qui
assurent le renouvellement de la popu-
lation peut permettre un maintien à
long terme de populations bactériennes
dépolluantes dans les cas de voies de
dégradation très coûteuses pour le fit-
ness des bactéries.
Conclusion
Nous avons construit des souches
bactériennes capables de dégra-
der efficacement le MTX, ainsi qu’un
système synthétique permettant de
Il n’existe pas aujourd’hui
de technique spécifique
ni efficace pour détruire
le MTX lors du traite-
ment des eaux usées
[10]. Nous proposions dans ce projet
une solution adaptée à ce problème :
celle-ci est principalement fondée sur
l’expression, par une souche d’Esche-
richia coli, d’une carboxypeptidase
hétérologue, actuellement utilisée sous
forme purifiée pour lutter contre les
effets d’une intoxication au MTX chez
les patients traités par ce médicament
[11]. Nous avons conçu notre système
synthétique de telle façon qu’il soit
susceptible d’être modifié et complété
par l’ajout d’autres voies de dégrada-
tion d’un large panel de molécules pro-
duites par l’industrie pharmaceutique.
La solution : « Methotrexit », une
usine bactérienne de nettoyage
« HeteroGenious »
Nous proposons un bioréacteur confiné
contenant une population de bactéries
E. coli modifiées capables de dégrader
les anticancéreux des eaux usées. Nous
avons synthétisé et exprimé dans E. coli
les gènes codant pour deux enzymes,
la folylpolyglutamate synthase (FolC)
et la carboxypeptidase G2 (Cpg2) ; la
première ajoute une queue polyglu-
tamate au MTX et la seconde coupe
les liaisons amides de la molécule.
L’ajout d’une queue polyglutamate au
MTX est susceptible d’augmenter sa
dégradation par des cellules exprimant
Cpg2 [12, 13]. Cpg2 est, quant à elle,
l’enzyme clé de notre système dans la
mesure où elle permet la biotransfor-
mation du MTX en produits peu toxiques,
le glutamate et le DAMPA (2,4-diamino-
N10-methylpteroic acid-d3) (Figure 1).
Nos expériences ont montré que le MTX
était dégradé de manière efficace après
en inhibant leur développement ou
leur croissance, et provoquent des
changements de comportement chez
certaines d’entre elles [ 4]. Une étude
démontre également que, in vitro, le
développement de cellules embryon-
naires humaines dans un milieu conte-
nant une mixture de médicaments
présents dans les eaux usées est altéré
[5]. Enfin, peu d’études s’intéressent
aux expositions chroniques et à l’effet
synergique (bien qu’il soit établi) des
médicaments dans les écosystèmes
proches des effluents des hôpitaux,
deux paramètres qui pourraient pour-
tant être une cause majeure de toxi-
cité [6].
Notre projet avait pour objectif de
travailler sur la dégradation d’un
médicament utilisé en chimiothérapie
antitumorale, le méthotrexate (MTX).
La concentration de cet anticancé-
reux, mesurée dans certains effluents
d’hôpitaux, peut atteindre 4 689 ng/
µl [7]. Ceci peut s’expliquer par le
fait que 60 à 90 % du MTX ingéré est
excrété dans les urines sous forme
active. De plus, il est rapidement
métabolisé en 7-OH-MTX, un composé
hautement toxique, qui n’a, quant à
lui, jamais été recherché dans les eaux
usées. À ce jour, peu d’études ont été
réalisées concernant les effets du
MTX dans l’environnement. Néanmoins,
l’apport de petites doses de MTX dans
l’habitat de poissons zèbres altérerait
leur développement (nécrose de la
tête et problème cardiaque congéni-
tal), pouvant aller jusqu’à l’arrêt de
ce dernier [8, 9].
Figure 1. Voie de biotransformation du méthotrexate dans E. coli. Les gènes folc
et cpg2 ont été introduits dans la souche E. coli châssis. Folc permet l’ajout d’un
glutamate à la molécule de MTX. Cpg2 convertit le complexe MTX-glutamate en
DAMPA et en glutamate, métabolites peu toxiques.
Product
(DAMPA)
CPG2
FolC
MTX-glutamate
Méthotrexate
(MTX)
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Methotrexit, a HeteroGenious cleaning
factory
LIENS D’INTÉ RÊ T
Les auteurs dé clarent n’avoir aucun lien d’inté rê t
concernant les donné es publié es dans cet article.
perspective : en effet, les souches
ainsi générées pourraient peut-être
constituer des probiotiques d’inté-
rêt thérapeutique pour des patients
sous chimiothérapie souffrant d’une
intoxication au MTX. ‡
générer une division du travail dans
les populations bactériennes. Ce pro-
jet ouvre de nouvelles perspectives
dans le cadre de la lutte contre les
polluants issus des hôpitaux. Par
ailleurs, il offre aussi une autre
A
B
Autorenouvellement
Population de
« cellules souches » insensibles
à la toxicité et pérennisant
la population de bactéries
Effet toxique de la voie
de dégradation
du méthotrexate
Product
(DAMPA)
CPG2
FolC
MTX-glutamate
Méthotrexate
(MTX)
AbgT
Population dégradant
le méthotrexate, mais sensible
à la toxicité
Niveaux d’expression
différents
Ier
folC-cpg2
H-NS
LER
LER
LER
LER
LEE5
H-NS
H-NS
H-NS
folC-cpg2+
folC-cpg2-
folC-cpg2+
folC-cpg2-
Figure 2. Principe du système « HeteroGenious ». A. Lors de nos expériences, nous avons remarqué que la coexpression de folc et cpg2 était toxique
pour nos bactéries. Pour éviter ce problème, nous avons conçu un système bimodal permettant la genèse de deux sous-populations : l’une exprime la
voie de dégradation FolC-Cpg2, l’autre ne l’exprime pas et reste donc insensible à sa toxicité, permettant de pérenniser le réservoir de bactéries. Cette
sous-population peut se diviser et engendrer à la fois des bactéries qui expriment, et d’autres qui n’expriment pas la voie de biotransformation du
méthotrexate. La seconde sous-population exprime folC et cpg2 permettant la dégradation du méthotrexate. B. La construction de notre système dit
HeteroGenious est inspirée de l’article de H. Leh et al. [14]. La compétition entre deux facteurs de transcription régulant l’activité du promoteur Lee5,
répression pour H-NS et activation pour Ler, peut générer une hétérogénéité dans la population de bactéries. Les proportions respectives de ces deux
sous-populations peuvent être définies en modifiant le niveau d’expression de Ler.
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