Grâce à quelques hacks moléculaires intelligents, des chercheurs du Columbia University Medical Center ont converti un système immunitaire bactérien naturel en un enregistreur de données microscopique, jetant les bases d'une nouvelle classe de technologies qui utilisent des cellules bactériennes pour tout, du diagnostic des maladies à la surveillance de l'environnement.

Les chercheurs ont modifié une souche de laboratoire ordinaire du microbe intestinal humain omniprésent Escherichia coli , permettant aux bactéries non seulement d'enregistrer leurs interactions avec l'environnement, mais aussi d'horodater les événements.

"De telles bactéries, avalé par un patient, pourraient être en mesure d'enregistrer les changements qu'ils subissent dans l'ensemble du tube digestif, offrant une vision inédite de phénomènes auparavant inaccessibles, " dit Harris Wang, professeur adjoint au Département de pathologie et de biologie cellulaire et de biologie des systèmes au CUMC et auteur principal sur les nouveaux travaux, décrit dans le numéro d'aujourd'hui de Science . D'autres applications pourraient inclure la détection environnementale et les études fondamentales en écologie et en microbiologie, où les bactéries pourraient surveiller des changements autrement invisibles sans perturber leur environnement.

Wang et les membres de son laboratoire ont créé l'enregistreur de données microscopiques en profitant de CRISPR-Cas, un système immunitaire chez de nombreuses espèces de bactéries. CRISPR-Cas copie des extraits d'ADN de virus envahissants afin que les générations suivantes de bactéries puissent repousser ces agents pathogènes plus efficacement. Par conséquent, le locus CRISPR du génome bactérien accumule un enregistrement chronologique des virus bactériens auxquels lui et ses ancêtres ont survécu. Lorsque ces mêmes virus essaient de s'infecter à nouveau, le système CRISPR-Cas peut les reconnaître et les éliminer.

"Le système CRISPR-Cas est un dispositif de mémoire biologique naturelle, " dit Wang. " D'un point de vue technique, c'est plutôt sympa, car c'est déjà un système qui a été affiné au cours de l'évolution pour être vraiment excellent pour stocker des informations."

CRISPR-Cas utilise normalement ses séquences enregistrées pour détecter et couper l'ADN des phages entrants. La spécificité de cette activité de coupe d'ADN a fait de CRISPR-Cas le chouchou des chercheurs en thérapie génique, qui l'ont modifié pour apporter des changements précis dans les génomes des cellules en culture, animaux de laboratoire, et même les humains. En effet, plus d'une douzaine d'essais cliniques sont actuellement en cours pour traiter diverses maladies grâce à la thérapie génique CRISPR-Cas.

Mais Ravi Sheth, un étudiant diplômé du laboratoire de Wang, a vu un potentiel non réalisé dans la fonction d'enregistrement de CRISPR-Cas. « Quand vous pensez à enregistrer des signaux qui changent dans le temps avec de l'électronique, ou un enregistrement audio... c'est une technologie très puissante, mais nous nous demandions comment adapter cela aux cellules vivantes elles-mêmes ?", explique Sheth.

Pour construire leur enregistreur microscopique, Sheth et d'autres membres du laboratoire Wang ont modifié un morceau d'ADN appelé plasmide, lui donnant la capacité de créer plus de copies de lui-même dans la cellule bactérienne en réponse à un signal externe. Un plasmide d'enregistrement séparé, qui entraîne la flûte à bec et marque le temps, exprime les composants du système CRISPR-Cas. En l'absence de signal externe, seul le plasmide d'enregistrement est actif, et la cellule ajoute des copies d'une séquence d'espacement au locus CRISPR dans son génome. Lorsqu'un signal externe est détecté par la cellule, l'autre plasmide est également activé, conduisant à l'insertion de ses séquences à la place. Le résultat est un mélange de séquences d'arrière-plan qui enregistrent le temps et des séquences de signaux qui changent en fonction de l'environnement de la cellule. Les chercheurs peuvent ensuite examiner le locus bactérien CRISPR et utiliser des outils informatiques pour lire l'enregistrement et sa synchronisation.

Le document actuel prouve que le système peut gérer au moins trois signaux simultanés et enregistrer pendant des jours.

"Maintenant, nous prévoyons d'examiner divers marqueurs qui pourraient être altérés par des changements d'états naturels ou pathologiques, dans le système gastro-intestinal ou ailleurs, " dit le Dr Wang.