Autoriser les cellules à parler aux ordinateurs
Les protéines rapporteuses génétiquement codées ont été essentielles aux études de recherche en biotechnologie, permettant aux chercheurs de suivre l’expression des gènes, de reconnaître les procédures intracellulaires et de déboguer les circuits génétiques modifiés.
Cependant, les plans de rapport standard qui dépendent de la fluorescence et d’autres méthodes optiques comportaient des restrictions pratiques qui pourraient jeter une ombre sur le développement futur de la région. À présent, des scientifiques de l’Université de Washington et de Microsoft ont développé un « nanopore-tal » sur ce qui se passe à l’intérieur de ces systèmes biologiques complexes, permettant aux scientifiques de voir les protéines rapporteuses saines sous un tout nouveau jour.
L’équipe a présenté un nouveau cours de protéines rapporteuses qu’un dispositif de détection à nanopores disponible dans le commerce peut lire directement. Le tout nouveau système baptisé « Nanopore-adressable protein identifies Engineered as Reporters » ou « NanoporeTERs » peut détecter de nombreux niveaux d’expression de protéines à partir de sociétés cellulaires bactériennes et humaines bien au-delà de la capacité des méthodes existantes.
L’étude a été publiée le 12 août dans Nature Biotechnology.
« Les NanoporeTER fournissent un lexique nouveau et plus riche pour que les cellules fabriquées se partagent et perdent également un nouvel éclairage sur les facteurs qu’elles sont conçues pour suivre. Ils peuvent nous en dire encore plus sur ce qui se passe dans leur environnement à un moment donné », a déclaré le co-auteur principal Nicolas Cardozo, doctorant à l’UW Molecular Design ainsi qu’aux Sciences Institute. « Nous permettons à ces cellules de « parler » aux systèmes informatiques de ce qui se passe dans leur environnement à un tout nouveau niveau d’information, à une portée et à une performance qui permettront certainement une évaluation plus approfondie que ce que nous pourrions faire. Avant.”
Pour les techniques de marquage standard, les scientifiques peuvent suivre à la fois quelques protéines saines reporter optique, telles que la protéine saine fluorescente verte, en raison de leurs propriétés spectrales qui se chevauchent. Par exemple, il est difficile de comparer plus significatif que trois différentes nuances de protéines fluorescentes à la fois. En revanche, les NanoporeTER ont été conçus pour apporter des « codes-barres » uniques de protéines saines constitués de chaînes d’acides aminés qui permettent au moins dix fois plus d’opportunités de multiplexage lorsqu’elles sont utilisées dans le mélange.
Ces protéines synthétiques saines sont produites à l’extérieur d’une cellule directement dans l’environnement environnant, où les chercheurs peuvent les rassembler et les examiner en utilisant une sélection de nanopores proposée dans le commerce. Ici, le groupe a utilisé le gadget MinION d’Oxford Nanopore Technologies.
Les chercheurs ont conçu les protéines NanoporeTER avec des « queues » à bec afin qu’elles puissent être attirées directement dans les unités de détection des nanopores par une zone électrique. Après cela, le groupe utilise la découverte d’appareils pour identifier les signaux électriques de chaque code-barres NanoporeTER afin d’établir les degrés de résultat de chaque protéine saine.
« Il s’agit d’une nouvelle interface utilisateur entre les cellules et les ordinateurs », a déclaré l’écrivain âgé Jeff Nivala, professeur adjoint d’étude UW à la Paul G. Allen Institution of Computer Science & Design. « Un exemple que je voudrais citer est que les journalistes de la presse à protéines fluorescentes sont comme des phares, et que les NanoporeTER ressemblent à des messages dans un conteneur.
« Les phares sont vraiment précieux pour interagir avec un lieu physique, car vous pouvez voir d’où provient le signal, mais il est difficile de charger plus de détails dans ce type de signal. Un message dans une bouteille, en revanche, peut contenir de nombreux détails dans un petit récipient, et vous pouvez en envoyer un certain nombre à un endroit différent pour être examinés. Vous pourriez oublier l’emplacement physique précis où les messages ont été envoyés, mais pour de nombreuses applications, ce n’est probablement pas un problème.
Comme preuve de principe, l’équipe a créé une bibliothèque de plus de 20 balises NanoporeTER distinctes. Pourtant, le potentiel est considérablement plus important, selon la co-auteure principale Karen Zhang, actuellement doctorante dans le programme d’études supérieures en bio-ingénierie de l’UC Berkeley-UCSF.
« Nous travaillons actuellement pour étendre la variété de NanoporeTER à des centaines, des milliers, voire des millions de plus », a déclaré Zhang, diplômé cette année de l’UW avec des niveaux de licence en biochimie et en microbiologie. « Plus nous en avons, plus nous pouvons suivre de choses.
« Nous sommes particulièrement ravis de la possibilité de la protéomique unicellulaire, mais cela pourrait également changer la donne en termes de notre capacité à faire de la biodétection multiplexée pour identifier la maladie et également cibler les thérapies sur des zones spécifiques à l’intérieur du corps. Et aussi, le débogage de styles de circuits héréditaires complexes finirait par être beaucoup plus facile et beaucoup moins long si nous pouvions mesurer l’efficacité de tous les composants en parallèle plutôt que par essais et erreurs.
Ces scientifiques avaient fait un usage unique du dispositif MinION dans le passé lorsqu’ils ont développé un système de marquage moléculaire pour modifier les méthodes conventionnelles de contrôle des stocks. Ce système reposait sur des codes-barres comprenant des cheveux artificiels d’ADN qui pouvaient être décodés à la demande, à l’aide du visiteur mobile.
Cette fois, le groupe est allé plus loin.
“Il s’agit du tout premier article à démontrer comment un dispositif commercial de capteur à nanopores peut être réutilisé pour des applications autres que le séquençage d’ADN et d’ARN pour lequel ils ont été créés à l’origine”, a déclaré la co-auteure Kathryn Doroschak, biologiste informatique chez Adaptive Biotechnologies qui ont terminé ce travail en tant que doctorant à l’Institution Allen. « C’est intéressant en tant que précurseur de l’innovation des nanopores qui finit par devenir plus accessible et également courante à l’avenir. Vous pouvez déjà connecter un outil nanopore à votre téléphone portable. Je pourrais imaginer tôt ou tard avoir un choix d’« applications moléculaires » qui seront certainement raisonnablement rentables et également largement disponibles au-delà de la génomique conventionnelle.
Référence: Nicolas Cardozo et al, Multiplexed direct detection of barcoded protein reporters on a nanopore array, Nature Biotechnology (2021). DOI: 10.1038/s41587-021-01002-6
