ENGINEERING AUTONOMOUS AND PROGRAMMABLE BIOSENSORS THROUGH SYNTHETIC BIOLOGY: INTEGRATING MULTIPLEXED BIOMARKER DETECTION AND BIOMOLECULAR SIGNAL PROCESSING INTO NEXT-GENERATION DIAGNOSTICS
Ingéniérie de biosenseurs autonomes et programmables via une approche de biologie synthétique : détection multiplexée de biomarqueurs et traitement de signal biomoléculaire intégrés dans des outils diagnostiques de nouvelle génération
Résumé
The promise for real precision medicine is contingent on innovative technological solutions to diagnosis. In the postgenomic
era, synthetic biology approaches to medicine provide new ways to probe, monitor and interface human
pathophysiology. Emerging as a mature field increasingly transitioning to the clinics, synthetic biology can be used to
apply engineering principles to design and build biological systems with clinical specifications. A particularly
tantalizing application is to develop versatile, programmable and intelligent diagnostic devices closely interconnected
with therapy. This thesis presents novel engineering concepts and approaches to design synthetic biological devices
interfacing human diseases in clinical samples through biomolecular digital signal processing, in light of a need for
dramatic improvements in capabilities and robustness. It addresses primarily the engineering of synthetic gene
circuits through integrase based digital genetic amplifiers and logic gates, to integrate modular and programmable
biosensing of biomarkers and diagnostic decision algorithms into bacteria. It then investigates systematic bottom-up
methodologies to program microscale synthetic protocells performing medical biosensing and biocomputing
operations. We demonstrate streamlined microfluidic fabrication methods and solutions to implement complex
Boolean operation using integrated synthetic biochemical circuits. This contribution also extends to the
characterization of protocell design space through novel computer assisted design frameworks, as well as the analysis
of mathematical and biological evidence for universal protocellular biocomputing devices. The articulation of
biological governing principles and medical implications for the synthetic devices developed in this work was further
validated in the clinic, and initiates new models towards next-generation diagnostics. This work envisions that
synthetic biology is preparing the future of medicine, supporting and speeding up the development of diagnostics
with novel capabilities to bring direct improvement in biotechnologies from the clinical lab to the patient.
Les promesses de la médecine de précision dépendent de nouvelles solutions technologiques pour le diagnostic.
Dans l’ère post-génomique, les approches de biologie synthétique pour la médecine apportent de nouvelles façons de
sonder, monitorer et interfacer la physiopathologie humaine. Emergeant en tant que champ scientifique mature dont
la transition clinique s’accélère, la biologie synthétique peut être utilisée pour appliquer des principes d’ingénierie afin
de concevoir et construire des systèmes biologiques comprenant des spécifications cliniques. Une application
particulièrement intéressante est de développer des outils diagnostiques polyvalents, programmables et intelligents
étroitement interconnectés avec la thérapie. Cette thèse présente de nouveaux concepts et approches d’ingénierie
pour concevoir des dispositifs biosynthétiques capables d’interfacer les maladies humaines dans des échantillons
cliniques en exploitant du traitement de signal au niveau biomoléculaire, à la lumière d’un besoin croissant en termes
de capacités et de robustesse. Cette thèse s’intéresse en premier lieu à l’ingénierie de circuits synthétiques de gènes,
reposant sur les portes logiques à integrases, pour intégrer des opérations modulaires et programmables de
biodétection de biomarqueur associées à des algorithmes de décisions au sein de population de bactéries. Elle
s’intéresse ensuite à des méthodologies systématiques dites bottom-up, pour programmer des protocellules
synthétiques microscopiques, capables d’exécuter des opérations de biodétection médicale et de biocomputation.
Nous décrivons le développement de méthodes simples de fabrications microfluidiques associées à des solutions
pour implémenter des opérations booléennes complexes en utilisant des circuits biochimiques synthétiques. Cette
contribution s’élargit aussi à la caractérisation de l’espace de conception de protocellules à l’aide d’approches de
design assisté par ordinateur, ainsi qu’à l’analyse de preuves mathématiques et biologiques pour l’utilisation de
protocellules comme des dispositifs universels de calcul. L’articulation des principes biologiques fondamentaux avec
les implications médicales concernant les dispositifs biosynthétiques développés dans ce travail, a été jusqu’à la
validation clinique et initie de nouveaux modèles pour le developpement de diagnostics de nouvelle génération. Ce
travail prévoit que la biologie synthétique est en train de préparer le futur de la médecine, en supportant et accélérant
le développement de diagnostics avec de nouvelles capacités, apportant un progrès biotechnologique direct depuis le
laboratoire de biologie clinique jusqu’au patient.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)