Les biologistes synthétiques équipent les génomes des micro-organismes de circuits de gènes synthétiques pour décomposer les plastiques polluants, diagnostiquer et traiter de manière non invasive les infections de l'intestin humain, et générer des produits chimiques et de la nutrition sur les vols spatiaux long-courriers. Bien que très prometteur en laboratoire, ces technologies nécessitent des mesures de contrôle et de sécurité qui garantissent que les micro-organismes modifiés gardent leurs circuits de gènes fonctionnels intacts au cours de nombreuses divisions cellulaires, et qu'ils sont contenus dans les environnements spécifiques pour lesquels ils sont conçus.

Les efforts passés du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de Harvard dirigés par Pamela Silver et James Collins, membres du corps professoral, ont créé des « interrupteurs d'arrêt » chez les bactéries qui les poussent à se suicider dans des conditions de laboratoire lorsqu'elles ne sont plus recherchées. "Nous devions aller plus loin dans nos travaux précédents et développer des kill switchs stables à long terme et également utiles dans des applications réelles, " dit Argent, qui est également professeur Elliot T. et Onie H. Adams de biochimie et de biologie des systèmes à la Harvard Medical School (HMS). Son équipe de recherche rapporte maintenant dans Cellule moléculaire deux nouveaux types de kill switch qui répondent à ces défis. Les nouveaux kill switchs sont autosuffisants et très stables dans les populations bactériennes qui évoluent, et ils durent sur plusieurs générations. Ils peuvent garantir que seules les bactéries avec des circuits de gènes synthétiques intacts survivent, ou confiner les bactéries dans un environnement cible à 37°C (température corporelle) tout en les faisant mourir à des températures plus basses, comme démontré lors de la sortie bactérienne d'un tractus intestinal de souris.

Pour le premier type de coupe-circuit, le "Essentializer", L'équipe de Silver a tiré parti de leur "élément de mémoire" précédemment conçu qui permet aux bactéries E. coli de se souvenir d'une rencontre avec un stimulus spécifique dans leur environnement. L'élément mémoire, dérivé d'un virus infectant les bactéries appelé bactériophage lambda, soit reste silencieux, soit signale l'apparition d'un signal en activant en permanence un transgène rapporteur visible que les scientifiques peuvent retracer. Le signal peut être n'importe quelle molécule, par exemple, une cytokine inflammatoire dans l'intestin ou une toxine dans l'environnement.

Dans leur étude récente, l'équipe a conçu un moyen qui garantit que l'élément mémoire n'est pas perdu du génome au cours de l'évolution de la population bactérienne sur plus d'une centaine de générations. Pendant ce temps, les génomes des bactéries individuelles acquièrent des mutations aléatoires, qui pourrait aussi potentiellement se produire dans l'élément mémoire, le détruisant dans leur sillage. Les chercheurs ont introduit l'Essentializer en tant qu'élément distinct à un autre endroit du génome de la bactérie. Tant que l'élément mémoire reste intact, l'un ou l'autre des deux facteurs bactériophages qui contrôlent sa fonction inhibe également l'expression d'un gène de toxine codé par l'Essentializer. Cependant, le gène de la toxine reste quelque peu "fuite", produisant encore des quantités résiduelles de toxine qui peuvent tuer la cellule. Pour garder ces niveaux de toxines résiduelles à distance, les chercheurs ont inclus un deuxième gène dans leur kill switch, qui produit de faibles niveaux d'une anti-toxine qui peut neutraliser de petites quantités de la toxine.

"En liant la fonction de l'élément mémoire à celle de l'Essentializer, nous lions essentiellement la survie des bactéries E. coli à la présence de l'élément mémoire. L'élimination de l'élément mémoire du génome bactérien, qui élimine également les deux facteurs phagiques suppresseurs de toxines, déclenche immédiatement le kill switch pour produire de grandes quantités de toxine qui submergent l'antitoxine et éliminent les bactéries affectées de la population, " a déclaré le premier auteur Finn Stirling, un étudiant diplômé travaillant avec Silver. "Pour créer ce système sophistiqué de freins et contrepoids, nous nous sommes également assurés que les interrupteurs d'arrêt eux-mêmes sont restés entièrement intacts, ce qui est une condition préalable importante pour les applications futures ; nous avons vérifié qu'ils étaient toujours fonctionnels après environ 140 divisions cellulaires."

Le deuxième type de kill switch que l'équipe appelle "Cryodeath" est capable de confiner les bactéries à une plage de température spécifique en utilisant la même combinaison toxine/anti-toxine mais en la régulant différemment. Tandis qu'à nouveau, de faibles niveaux d'antitoxine ont été produits, le gène de la toxine était lié à une séquence régulatrice qui confère une sensibilité au froid. Déplacement des bactéries de 37°C, où ils sont censés prospérer, à 22°C, induit puissamment l'expression de la toxine et tue les bactéries. Dans des expériences de preuve de concept fondamentales, l'équipe a démontré l'utilité de Cryodeath in vivo. Après avoir introduit une souche d'E. coli contenant le kill switch dans des souris, seulement 1 sur 100, 000 bactéries étaient viables dans les échantillons fécaux. "Cette avancée nous rapproche considérablement des applications réelles de microbes synthétiques dans le corps humain ou dans l'environnement. Nous travaillons maintenant sur des combinaisons d'interrupteurs d'arrêt qui peuvent répondre à différents stimuli environnementaux pour fournir un contrôle encore plus strict, " dit Argent.

"Cette étude montre comment nos équipes tirent parti de la biologie synthétique non seulement pour reprogrammer les microbes afin de créer des dispositifs cellulaires vivants capables de remplir des fonctions utiles pour la médecine et l'assainissement de l'environnement, mais pour le faire d'une manière sûre pour tous, " a déclaré le directeur fondateur du Wyss Institute, Donald Ingber, MARYLAND., Doctorat., qui est également le professeur Judah Folkman de biologie vasculaire au HMS et le programme de biologie vasculaire du Boston Children's Hospital, ainsi que professeur de bio-ingénierie à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).