Des chercheurs du MIT ont mis au point un moyen de programmer des souvenirs dans des cellules microbiennes en révisant leur ADN
Les ingénieurs organiques du MIT ont créé une toute nouvelle façon d’éditer avec succès des génomes bactériens et de programmer des souvenirs directement dans les cellules microbiennes en révisant leur ADN. Grâce à cette technique, diverses informations spatiales et temporelles peuvent être stockées pendant des générations et obtenues en séquençant l’ADN des cellules.
La nouvelle méthode d’écriture d’ADN, que les scientifiques appellent HiSCRIBE, est beaucoup plus efficace que les systèmes précédemment créés pour éditer et améliorer l’ADN des bactéries, qui ont eu un taux de réussite de seulement 1 cellule sur 10 000 par génération. Dans une nouvelle étude de recherche, les scientifiques ont montré que cette technique pouvait être utilisée pour conserver la mémoire des communications cellulaires ou du lieu spatial.
Cette méthode peut également permettre de modifier, d’activer de manière sélective ou de faire taire les gènes d’espèces particulières de microorganismes restant dans une communauté entièrement naturelle telle que le microbiome humain, selon les scientifiques.
“Avec ce tout nouveau système d’écriture d’ADN, nous pouvons modifier exactement et efficacement les génomes bactériens sans avoir besoin d’aucune option, dans des écosystèmes bactériens compliqués”, déclare Fahim Farzadfard, ancien postdoctorant du MIT et auteur principal de l’article. “Cela nous permet de modifier le génome ainsi que d’écrire l’ADN en dehors des laboratoires, que ce soit pour concevoir des germes, améliorer les caractéristiques de la passion in situ ou étudier les caractéristiques évolutives et les interactions dans les populations microbiennes.”
Timothy Lu, professeur agrégé de conception électrique, d’informatique et d’ingénierie organique au MIT, est l’auteur âgé de l’étude de recherche, publiée le 5 août 2021 dans Cell Solutions. Nava Gharaei, un ancien étudiant diplômé de l’Université Harvard, et Robert Citorik, un ancien étudiant diplômé du MIT, sont également les auteurs de la recherche.
Génome créant et enregistrant des souvenirs
Depuis plusieurs années, le laboratoire de Lu travaille avec des méthodes pour utiliser l’ADN pour stocker des informations telles que la mémoire d’occasions mobiles. En 2014, lui et Farzadfard ont mis au point un moyen d’utiliser les germes en tant que « magnétophone génomique », en concevant E. coli pour conserver des souvenirs durables d’événements tels que l’exposition directe à des produits chimiques.
Pour y parvenir, les scientifiques ont conçu les cellules pour produire une enzyme transcriptase inverse appelée retour, qui possède un ADN simple brin (ssDNA) lorsqu’il est exprimé dans les cellules, ainsi qu’une enzyme recombinase, qui peut placer (« composer ») une séquence particulière d’ADN simple brin dans un site ciblé du génome. Cet ADN est créé juste au moment où il est activé par la visibilité d’une particule fixe ou d’un autre type d’entrée, comme la lumière. Une fois l’ADN fabriqué, la recombinase insère l’ADN directement dans un site préprogrammé à travers le génome.
Cette technique, que les scientifiques ont appelée SCRIBE, avait une efficacité d’écriture relativement faible. Sur 10 000 cellules d’E. coli, on obtiendrait certainement le nouvel ADN que les scientifiques ont tenté d’incorporer dans les cellules de chaque génération. C’est en partie parce que E. coli a des mécanismes cellulaires qui protègent contre l’ADN simple brin d’être rassemblé et incorporé dans leurs génomes.
Dans la toute nouvelle étude de recherche, les scientifiques ont tenté d’améliorer l’efficacité du processus en se débarrassant de certains des mécanismes de défense d’E. coli contre l’ADN simple brin. Initialement, ils ont désactivé des enzymes appelées exonucléases, qui détériorent l’ADN simple brin. Ils ont également supprimé des gènes impliqués dans un système appelé travail de réparation des inégalités, qui empêche généralement d’intégrer l’ADN simple brin dans le génome.
Avec ces modifications, les scientifiques pourraient parvenir à une consolidation quasi universelle des changements génétiques qu’ils ont tentées de présenter, en développant un moyen inégalé et fiable d’éditer et d’améliorer les génomes microbiens sans avoir à choisir.
« Grâce à cette amélioration, nous avons pu créer des applications impossibles avec la génération précédente de SCRIBE ou avec d’autres innovations en matière d’écriture d’ADN », déclare Farzadfard.
Communications cellulaires
Dans leur recherche de 2014, les chercheurs ont révélé qu’ils pouvaient utiliser SCRIBE pour enregistrer la période et l’intensité d’exposition à une molécule particulière. Avec leur nouveau système HiSCRIBE, ils peuvent tracer ces types de vulnérabilités en plus de différents types d’occasions, telles que les communications entre les cellules.
Dans un cas, les scientifiques ont montré qu’ils pourraient suivre un processus appelé conjugaison microbienne, par lequel les microorganismes échangent des éléments d’ADN. En intégrant un « code-barres » ADN dans le génome de chaque cellule, qui peut être échangé avec d’autres cellules, les scientifiques peuvent identifier quelles cellules se sont engagées en séquençant leur ADN pour voir quels codes-barres elles apportent.
Ce type de cartographie pourrait aider les scientifiques à étudier exactement comment les bactéries se connectent au sein d’agrégats tels que les biofilms. Si une approche similaire pouvait être diffusée dans des cellules animales, elle pourrait un jour être utilisée pour cartographier les communications entre d’autres types de cellules telles que les neurones, affirme Farzadfard. Les virus qui peuvent traverser les synapses neurales pourraient être programmés pour transporter l’ADN barccodes que les chercheurs pourraient utiliser pour tracer les connexions entre les cellules nerveuses, en utilisant une nouvelle méthode pour aider à cartographier le connectome de l’esprit.
“Nous utilisons l’ADN comme système pour enregistrer des informations spatiales sur la communication des cellules microbiennes, et peut-être à l’avenir, les neurones qui ont été marqués”, assure Farzadfard.
Les scientifiques ont également révélé qu’ils pouvaient utiliser cette technique pour modifier le génome d’une espèce de microorganismes dans un voisinage de nombreux types. Dans cette situation, ils ont présenté le gène d’une enzyme qui décompose le galactose en cellules d’E. coli qui se développent dans la société avec plusieurs autres variétés de bactéries.
Les scientifiques disent que cette modification sélective d’espèce peut fournir une méthode unique pour rendre les germes résistants aux antibiotiques beaucoup plus sensibles aux médicaments existants en faisant taire leurs gènes de résistance. Néanmoins, de tels traitements nécessiteraient probablement plusieurs années, beaucoup plus d’années de recherche pour être créés, disent-ils.
Les chercheurs ont pareillement montré qu’ils pouvaient utiliser cette stratégie pour concevoir une communauté artificielle composée de bactéries et de bactériophages qui peut continuellement réviser des segments spécifiques de leur génome et se développer de manière autonome avec un prix plus élevé que ce qui serait possible par le développement naturel. Dans ce cas, ils ont pu optimiser la capacité des cellules à consommer du lactose.
“Cette approche pourrait être utilisée pour l’ingénierie transformatrice des qualités mobiles, ou dans les recherches expérimentales sur le progrès en vous permettant de rejouer la bande du progrès encore et encore”, déclare Farzadfard.
Publié à l’origine sur Qmmm.org. Lire l’article original.
Référence: “Efficient retroelement-mediated DNA writing in bacteria” by Fahim Farzadfard, Nava Gharaei, Robert J. Citorik and Timothy K. Lu, 5 August 2021, Cell Systems.
DOI: 10.1016/j.cels.2021.07.001
