Comment modifier les gènes des maîtres manipulateurs de la nature

CRISPR, la technologie d’édition de gènes lauréate du prix Nobel, est sur le point d’avoir à nouveau un impact majeur sur les domaines de la microbiologie et de la médecine.

Une équipe dirigée par la pionnière de CRISPR Jennifer Doudna et sa collaboratrice de longue date Jill Banfield a développé un outil intelligent pour éditer les génomes de virus causant des bactéries appelés bactériophages en utilisant une forme rare de CRISPR. La capacité de concevoir facilement des phages conçus sur mesure – qui ont longtemps échappé à la communauté des chercheurs – pourrait aider les chercheurs à contrôler les microbiomes sans antibiotiques ni produits chimiques agressifs, et à traiter les infections dangereuses de la médecine. Un article décrivant le travail a été récemment publié Microbiologie naturelle.

“Les bactériophages sont parmi les organismes les plus abondants et les plus divers sur Terre. Contrairement aux approches précédentes, cette méthode de réparation va à l’encontre de la grande diversité génétique des bactériophages”, a déclaré le premier auteur Benjamin Adler, chercheur postdoctoral au laboratoire de Doudna. la découverte est littéralement à portée de main !”

Les bactériophages, également appelés simplement phages, injectent leur matériel génétique dans les cellules bactériennes à l’aide d’un dispositif semblable à une seringue, puis détournent la machinerie de fabrication de protéines de leurs hôtes afin de se reproduire, tuant souvent les bactéries dans le processus. (Ils sont inoffensifs pour les autres organismes, y compris nous, les humains, bien que les images de microscopie électronique aient montré qu’ils ressemblaient à des extraterrestres.)

CRISPR-Cas est un type de mécanisme de défense utilisé par de nombreuses bactéries et archées contre les phages. Un système CRISPR-Cas se compose de courts extraits d’ARN qui sont complémentaires aux séquences de gènes de phage, permettant au microbe de reconnaître quand le matériel génétique a été inséré, et d’enzymes en forme de ciseaux qui éliminent les gènes du phage. les instructions. dans l’espace par l’ARN.

Au cours des millénaires, la bataille évolutive constante entre l’attaque des phages et la défense bactérienne a forcé les phages à se spécialiser. Il existe de nombreux microbes, il existe donc également de nombreux phages, chacun avec des adaptations uniques. Cette incroyable diversité a rendu difficile l’édition des phages, les rendant résistants à de nombreuses formes de CRISPR, c’est pourquoi le système le plus courant – CRISPR-Cas9 – ne fonctionne pas pour cette application.

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“Les cellules ont de nombreuses façons d’échapper aux défenses, allant de l’anti-CRISPR à la simple modification de leur propre ADN”, a déclaré Adler. “Donc, d’une certaine manière, les changements codés dans les génomes des phages qui les rendent meilleurs pour manipuler les microbes sont la même raison pour laquelle il a été si difficile de développer un outil polyvalent pour modifier leurs génomes.”

Les chefs de projet Doudna et Banfield ont développé ensemble de nombreux outils basés sur CRISPR depuis leur première collaboration sur la première étude CRISPR en 2008. Ce travail – réalisé au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) – a été cité par le comité du prix Nobel lorsque Doudna et son autre collaboratrice, Emmanuelle Charpentier, ont remporté le prix en 2020. L’équipe de chercheurs de Doudna et Banfield du Berkeley Lab et de l’UC Berkeley étudie les propriétés d’une forme rare de CRISPR appelée CRISPR -Cas13 (dérivée de la bactérie la plus courante chez l’homme bouche) lorsqu’ils ont découvert que cette partie du système de défense agit contre de nombreux phages.

Le potentiel de combat de CRISPR-Cas13 est sans précédent compte tenu du peu de microbes qui l’utilisent, a expliqué Adler. Les scientifiques ont été doublement surpris car les niveaux qui ont gagné dans les expériences ont tous été infectés à l’aide d’ADN double brin, mais le système CRISPR-Cas13 ne cible et ne coupe que l’ARN simple brin. Comme d’autres types de virus, certains phages ont des génomes à base d’ADN et certains ont des génomes à base d’ARN. Cependant, tous les virus connus utilisent l’ARN pour exprimer leurs gènes. Le système CRISPR-Cas13 a été très efficace dans neuf niveaux d’ADN différents de toutes les souches de E. coli, mais il n’y a presque aucune similitude entre leurs génomes.

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Selon l’auteur et spécialiste des phages Vivek Mutalik, membre du personnel scientifique du domaine des biosciences du laboratoire de Berkeley, ces résultats indiquent que le système CRISPR peut protéger contre de nombreuses étapes basées sur l’ADN en ciblant leur ARN après qu’il a été modifié à partir de ADN par les bactéries elles-mêmes. enzymes avant la traduction des protéines.

Ensuite, l’équipe a démontré que le système pouvait être utilisé pour modifier les génomes des phages au lieu de simplement les couper de manière défensive.

Tout d’abord, ils créent des segments d’ADN composés de la séquence de phages qu’ils souhaitent créer, flanqués de séquences de phages natives et placés dans les bactéries cibles du phage. Lorsque les phages infectent les microbes avec de l’ADN, certains des phages qui se répliquent à l’intérieur des microbes prennent l’ADN modifié et l’intègrent dans leurs génomes au site d’origine. Cette étape est un processus de réparation de l’ADN à long terme appelé recombinaison homologue. Un problème permanent dans la recherche sur les phages est que bien que cette étape, l’édition du génome du phage réel, fonctionne très bien, isoler et reproduire des phages avec la séquence éditée à partir d’un grand pool de phages normaux est très délicat.

C’est là qu’intervient CRISPR-Cas13. Dans une deuxième étape, les scientifiques ont conçu une autre souche du microbe hôte pour avoir un système CRISPR-Cas13 qui détecte et se défend contre la séquence normale du génome du phage. Lorsque les phages édités en premier ont été exposés à des hôtes de deuxième tour, les phages avec la séquence d’origine ont été vaincus par le système de défense CRISPR, mais un petit nombre de phages édités ont pu l’éviter. Ils ont survécu et corrigé.

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Expériences avec trois non liés E. coli les phages présentent un taux de réussite remarquable : plus de 99 % des phages produits dans des procédures en deux étapes contiennent des mutations, allant de grandes délétions multigéniques à des substitutions d’acides aminés uniques.

“À mon avis, ce travail sur la technologie des phages est l’une des premières étapes de la biologie des phages”, a déclaré Mutalik. “En tant que couches qui affectent la biologie microbienne, l’évolution, la dynamique des populations et l’extinction, la science sans fin des bactéries et de leurs couches a de profondes implications pour la science fondamentale, mais a également la capacité de faire une réelle différence dans tous les secteurs de l’économie. En plus de la santé humaine, le potentiel de cette technologie de phage affectera tout, de la bioproduction et de l’agriculture à la production alimentaire. “

S’appuyant sur leurs premiers résultats, les scientifiques travaillent maintenant à étendre le système CRISPR pour une utilisation sur plus de types de phages, en commençant par ceux qui affectent les communautés microbiennes du sol. Ils l’utilisent également comme un outil pour explorer les mystères génétiques dans les génomes des phages. Qui sait quels autres outils et technologies étonnants pourraient être inspirés par le butin de la guerre microscopique entre bactéries et virus ?

Cette recherche a été financée par le domaine d’intérêt scientifique du Département d’évaluation communautaire de l’énergie microbienne et d’évaluation fonctionnelle de l’environnement (m-CAFES). Jill Banfield est professeur de sciences de la Terre et de la Terre et de sciences, politiques et gestion de l’environnement à l’UC Berkeley, ainsi que professeur de recherche au laboratoire de biosciences de Berkeley et affilié dans le domaine des sciences de la Terre. Jennifer Doudna est professeure dans les départements de biologie moléculaire et cellulaire et de chimie à l’UC Berkeley et chercheuse en biosciences au laboratoire de Berkeley.

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