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Les scientifiques ont reprogrammé les bactéries pour qu’elles soient immunisées contre les virus

Les scientifiques ont créé un génome synthétique pour une bactérie en enchaînant les éléments constitutifs de l’ADN – et le nouveau génome a rendu le microbe immunisé contre les infections virales.

Même lorsqu’il est exposé à un cocktail de bactériophages – des virus qui infectent bactéries – le designer Escherichia coli est resté indemne, tandis qu’une version non modifiée de la bactérie a rapidement succombé à l’attaque virale et est décédée, a rapporté l’équipe de recherche dans sa nouvelle étude, publiée jeudi 3 juin dans le journal La science. C’est parce que virus détournent généralement la machinerie interne d’une cellule pour faire de nouvelles copies d’elles-mêmes, mais dans le concepteur E. coli, cette machine n’existait plus.

« Notre compréhension du code génétique nous a permis d’émettre l’hypothèse que les virus ne devraient pas être capables d’infecter et de se propager » dans la version modifiée E. coli, et cela s’est avéré être vrai, a déclaré le premier auteur Wesley Robertson, chercheur postdoctoral en biologie synthétique au MRC Laboratory of Molecular Biology (MRC-LMB) au Royaume-Uni. Rendre les bactéries résistantes aux infections virales pourrait être utile dans le développement de médicaments, car les médicaments comme l’insuline et certains ingrédients de vaccins sont cultivés dans des bactéries, par exemple, ont écrit les auteurs dans leur étude.

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Mais bien qu’il s’agisse d’un bel avantage, faire E. coli invulnérable aux virus n’était pas l’objectif principal de la recherche, a déclaré Robertson. L’équipe voulait remplacer les gènes et la machinerie cellulaire qu’ils avaient supprimés par des machines reprogrammées de leur propre conception, afin que le microbe produise des protéines selon leurs instructions.

Les cellules n’utilisent normalement que 20 blocs de construction, appelés acides aminés, pour construire toutes leurs protéines, mais maintenant, les scientifiques peuvent introduire des « acides aminés non naturels » à utiliser dans la construction de protéines, qui ont le même squelette de base que tous les acides aminés, mais de nouvelles chaînes latérales. De cette façon, l’équipe a incité leurs microbes modifiés à construire des macrocycles – une classe de molécules utilisées dans divers médicaments, y compris les antibiotiques – avec des acides aminés non naturels incorporés dans leurs structures. À l’avenir, le même système pourrait potentiellement être adapté pour fabriquer des matériaux de type plastique, sans avoir besoin de pétrole brut, a déclaré Robertson.

« C’était impensable il y a dix ans », a déclaré Abhishek Chatterjee, professeur agrégé de chimie au Boston College, qui n’a pas participé à l’étude. En supposant que la méthode puisse être facilement adoptée par d’autres laboratoires, elle pourrait être utilisée à des fins très diverses, du développement de médicaments à la production de matériaux inédits, a-t-il déclaré.

« Vous pouvez réellement créer une classe de polymères totalement inconnus », a déclaré Chatterjee. « Quand ce [technology] devient vraiment efficace et que tous les problèmes sont résolus, cela pourrait devenir un moteur pour développer de nouvelles classes de biomatériaux », qui pourraient être utilisés dans des dispositifs médicaux implantés dans le corps humain, par exemple, dit-il.

Construire des génomes à partir de zéro

Pour créer leur programmable E. coli, l’équipe a profité d’une bizarrerie dans le processus de traduction de l’information génétique en protéines.

Tout comme l’humain ADN, E. coli chromosomes contiennent quatre bases, l’adénine (A), la thymine (T), la cytosine (C) et la guanine (G). Un ensemble de trois bases – telles que TCG ou AGC, par exemple – est connu sous le nom de codon, et chaque codon correspond à un acide aminé ou à un élément constitutif de la protéine. De plus, certains codons indiquent à la cellule quand arrêter de construire une protéine ; ceux-ci sont appelés « codons d’arrêt.

Lorsqu’une cellule a besoin d’une protéine particulière construite, une enzyme pénètre et copie tous les codons pertinents pour cette protéine et stocke cette information dans une nouvelle molécule appelée ARN messager (ARNm). L’ARNm est ensuite expédié à l’usine de production de protéines de la cellule, le ribosome, où une autre molécule appelée ARN de transfert (ARNt) lit ces instructions copiées. L’ARNt récupère ensuite tous les acides aminés nécessaires pour construire la protéine souhaitée, jusqu’au codon d’arrêt.

Les bases d’ADN peuvent être arrangées en 64 codons à trois bases différents, trois d’entre eux étant des codons d’arrêt. Cela dit, les cellules n’ont en fait que 20 acides aminés avec lesquels travailler, ce qui signifie que plusieurs codons différents codent pour les mêmes acides aminés.

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« Il y a cette redondance inhérente dans le code génétique, où vous avez 64 codons, mais seulement 20 blocs de construction », a déclaré Robertson. Robertson et ses collègues se sont demandé si, en remplaçant les codons redondants par leurs « synonymes », ils pourraient ensuite réaffecter certains de ces codons redondants pour coder de nouveaux acides aminés sans tuer la cellule.

Dans une étude précédente, publiée en 2019 dans la revue Nature, l’équipe a surmonté le premier obstacle de ce défi en créant une nouvelle souche de E. coli avec un génome épuré. Dirigé par Jason Chin, chef de programme au MRC-LMB et chef du Centre de biologie chimique et synthétique, le groupe a remplacé tous les codons TCG et TCA par AGC et AGT, qui codent tous pour l’acide aminé sérine.

Ils l’ont fait en utilisant une technique appelée « excision de réplicon pour une ingénierie améliorée du génome par recombinaison programmée », ou simplement REXER pour faire court. REXER peut découper de grandes portions de E. coli génome en une seule étape et remplacer le morceau excisé par de l’ADN synthétique, qui dans ce cas, utilisait AGC et AGT à la place du TCG et du TCA. Ce processus peut être appliqué par étapes, en abaissant le génome de manière à ce qu’un morceau après l’autre soit remplacé par de l’ADN synthétique ; de cette façon, l’équipe a supprimé toutes les instances de TCG et TCA de leur E. coli souche.

« Si vous allez apporter un tas de changements, il est en fait plus efficace de partir de zéro et de simplement le construire de bas en haut », plutôt que d’échanger les codons un par un du génome naturel, a déclaré Robertson. L’équipe a également troqué le codon d’arrêt TAG contre TAA, un codon d’arrêt synonyme, et a ainsi libéré trois codons à reprogrammer, puisque la cellule ne contenait plus de TCG, TCA ou TAG.

Et malgré l’élimination de ces trois codons, la nouvelle souche de E. coli ont bien survécu dans l’environnement de laboratoire, et l’équipe a sélectionné les cellules qui se sont développées le plus rapidement dans la culture cellulaire. Les cellules qui ont subi cette évolution dirigée se sont développées de manière fiable dans des boîtes de laboratoire, bien que la modification E. coli mourrait rapidement s’il était placé en dehors de l’environnement de laboratoire contrôlé, a noté Robertson.

4 scientifiques travaillant sur une paillasse

Les chercheurs postdoctoraux Wesley Robertson et Daniel de la Torre (à gauche) ont dirigé la réaffectation des codons aux acides aminés non naturels et aux aspects de synthèse de polymères non naturels du projet. L’étudiante diplômée Louise Funke (deuxième à partir de la droite) a dirigé les expériences sur l’évolution des souches bactériennes, et le chercheur postdoctoral Julius Fredens (à l’extrême droite) a démontré la résistance aux phages des cellules modifiées. (Crédit image : W. Robertson, Laboratoire de biologie moléculaire du MRC)

Un système « plug-and-play »

Maintenant, dans leur étude la plus récente, l’équipe a apporté un dernier ajustement à leur E. coli en supprimant les gènes qui codent pour deux molécules d’ARNt spécifiques – les molécules qui lisent les codons et collectent tous les acides aminés appropriés. Ces ARNt reconnaîtraient généralement les codons TCG et TCA. L’équipe a également supprimé les gènes d’un soi-disant facteur de libération qui reconnaît normalement le codon d’arrêt TAG. Ces changements ont rendu la nouvelle souche bactérienne invulnérable aux virus, a découvert l’équipe.

Les génomes de virus contiennent des codons TCG, TCA et TAG, mais sans les bons ARNt et facteurs de libération, le concepteur E. coli ne peut pas lire ces gènes viraux et ne peut donc pas devenir la proie des agents pathogènes. « Quand le virus infecte, il n’a pas le même code génétique comme notre [modified E. coli] cellules, et puis il ne peut pas faire son propre protéines et il ne peut pas se propager », a déclaré Robertson.

Mais encore une fois, l’objectif principal de l’étude était de reprogrammer les codons libérés afin de générer de nouvelles protéines. Pour ce faire, l’équipe a généré des molécules d’ARNt qui se sont associées à des acides aminés non naturels de leur propre conception ; ces ARNt ont été programmés pour reconnaître les codons TCG, TCA et TAG maintenant absents de la modification E. coli souche. L’équipe a réintroduit les codons manquants en les plaçant dans de petites boucles d’ADN, appelées plasmides, qui peuvent être insérées dans la bactérie sans altérer son génome.

Les plasmides, l’ARNt et les acides aminés non naturels ont fourni tous les plans, outils et matériaux dont les cellules avaient besoin pour construire des protéines de conception pour les chercheurs. « Vous pouvez donc fabriquer des protéines dans une cellule de manière programmable, en fonction de l’ADN que nous fournissons à la cellule, avec 23 éléments constitutifs », au lieu de 20, a déclaré Robertson. « C’est tout à fait un système plug-and-play. »

D’autres groupes de recherche ont tenté d’introduire des acides aminés non naturels dans les protéines dans le passé, mais ces stratégies n’étaient pas très efficaces, ont écrit Chatterjee et Delilah Jewel, une étudiante diplômée du laboratoire de Chatterjee, dans un commentaire publié dans le même numéro de Science. Par exemple, le laboratoire de Chatterjee a réussi à associer des acides aminés non naturels avec les codons d’arrêt dans E. coli, mais cette méthode ne leur a permis d’insérer ces acides aminés non naturels qu’en un seul site dans la protéine finale, ont-ils rapporté dans une étude de 2019 dans le Journal de l’American Chemical Society.

Maintenant, avec la nouvelle méthode, les scientifiques peuvent commencer à repousser les limites des protéines et des polymères qu’ils peuvent construire, a déclaré Chatterjee à 45Secondes.fr. « C’est un peu pour l’imagination. À quoi pourraient ressembler ces acides aminés ? » il a dit. « Quel genre de chimie pourraient-ils avoir, des fonctionnalités pourraient-ils avoir, auxquelles la nature n’a jamais eu accès ? »

En regardant vers l’avenir, les scientifiques pourraient potentiellement supprimer encore plus de codons du E. coli génome, libérant encore plus de canaux pour la construction de protéines de conception, a déclaré Robertson. Mais pour l’instant, trois canaux ouverts sont probablement suffisants pour travailler, a-t-il déclaré. « Avons-nous besoin de sept canaux ouverts ? Ou est-ce que trois canaux ouverts suffisent pour vraiment étendre ce que nous pouvons faire, en termes de fourniture de nouvelles applications ? il a dit. « Il est avantageux de se concentrer uniquement sur les applications maintenant. »

Publié à l’origine sur 45Secondes.fr.

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