Dans le film de science-fiction de 1966 Voyage fantastique, un sous-marin est rétréci et injecté dans le corps d'un scientifique pour réparer un caillot de sang dans son cerveau. Bien que le film soit encore une fiction, les chercheurs de Caltech avancent dans cette direction :ils ont, pour la première fois, créé des cellules bactériennes capables de réfléchir les ondes sonores, rappelant la façon dont les sous-marins réfléchissent le sonar pour révéler leurs emplacements.

Le but ultime est de pouvoir injecter des bactéries thérapeutiques dans le corps d'un patient, par exemple, comme probiotiques pour aider à traiter les maladies de l'intestin ou comme traitements ciblés contre les tumeurs, puis utiliser des appareils à ultrasons pour frapper les bactéries modifiées avec des ondes sonores afin de générer des images qui révèlent l'emplacement des microbes. Les images permettraient aux médecins de savoir si les traitements étaient arrivés au bon endroit dans le corps et fonctionnaient correctement.

"Nous concevons les cellules bactériennes afin qu'elles puissent nous renvoyer des ondes sonores et nous faire connaître leur emplacement de la même manière qu'un navire ou un sous-marin diffuse un sonar lorsqu'un autre navire le recherche, " dit Mikhaïl Shapiro, professeur assistant en génie chimique, Chercheur Schlinger, et chercheur de l'Institut de recherche médicale du patrimoine. "Nous voulons pouvoir demander aux bactéries, « Où es-tu et comment vas-tu ? » La première étape consiste à apprendre à visualiser et à localiser les cellules, et la prochaine étape est de communiquer avec eux."

Les résultats seront publiés dans le numéro du 4 janvier de la revue La nature . L'auteur principal est Raymond Bourdeau, un ancien chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Shapiro.

L'idée d'utiliser des bactéries comme médicament n'est pas nouvelle. Les probiotiques ont été développés pour traiter les affections intestinales, comme la maladie du côlon irritable, et certaines premières études ont montré que les bactéries peuvent être utilisées pour cibler et détruire les cellules cancéreuses. Mais visualiser ces cellules bactériennes ainsi que communiquer avec elles, à la fois pour recueillir des informations sur ce qui se passe dans le corps et pour donner aux bactéries des instructions sur la marche à suivre, n'est pas encore possible. Les techniques d'imagerie qui reposent sur la lumière, telles que la prise de photos de cellules marquées d'un « gène rapporteur » qui code pour la protéine fluorescente verte, ne fonctionnent que dans des échantillons de tissus prélevés sur le corps. C'est parce que la lumière ne peut pas pénétrer dans les tissus plus profonds comme l'intestin, où résideraient les cellules bactériennes.

Shapiro veut résoudre ce problème avec des techniques à ultrasons, car les ondes sonores peuvent voyager plus profondément dans les corps. Il dit qu'il a eu un moment eurêka il y a environ six ans lorsqu'il a découvert les structures protéiques remplies de gaz dans les bactéries aquatiques qui aident à réguler la flottabilité des organismes. Shapiro a émis l'hypothèse que ces structures, appelées vésicules de gaz, pourrait rebondir les ondes sonores de manière à les distinguer des autres types de cellules. En effet, Shapiro et ses collègues ont démontré que les vésicules de gaz peuvent être imagées par ultrasons dans les intestins et d'autres tissus de souris.

Le prochain objectif de l'équipe était de transférer les gènes permettant de fabriquer des vésicules de gaz à partir des bactéries aquatiques dans un autre type de bactérie :Escherichia coli, qui est couramment utilisé en thérapeutique microbienne, comme les probiotiques.

« Nous voulions enseigner la E. coli bactéries pour fabriquer les vésicules de gaz elles-mêmes, " dit Shapiro. " Je voulais le faire depuis que nous avons réalisé le potentiel des vésicules de gaz, mais nous avons rencontré des barrages routiers en cours de route. Lorsque nous avons finalement réussi à faire fonctionner le système, nous étions ravis."

L'un des défis relevés par l'équipe concernait le transfert de la machinerie génétique des vésicules de gaz dans E. coli . Ils ont d'abord essayé de transférer des gènes de vésicules de gaz isolés d'une bactérie aquatique appelée Anabaena flos-aquae, mais cela n'a pas fonctionné—le E. coli n'a pas réussi à faire les vésicules. Ils ont essayé à nouveau d'utiliser les gènes de vésicules de gaz d'un parent plus proche de E. coli , une bactérie appelée Bacillus megaterium. Cela n'a pas réussi non plus, parce que les vésicules de gaz résultantes étaient trop petites pour diffuser efficacement les ondes sonores. Finalement, l'équipe a essayé un mélange de gènes des deux espèces et cela a fonctionné. Les E. coli fait des vésicules de gaz par eux-mêmes.

Les gènes des vésicules gazeuses codent pour des protéines qui agissent comme des briques ou des grues dans la construction de la structure finale des vésicules. Certaines protéines sont les éléments constitutifs des vésicules tandis que d'autres aident à assembler les structures. "Essentiellement, nous avons compris que nous avions besoin des briques d'Anabaena flos-aquae et des grues de Bacillus megaterium pour E. coli être capable de faire des vésicules de gaz, " dit Bourdeau.

Des expériences ultérieures de l'équipe ont démontré que le E. coli pourrait en effet être imagé et localisé dans les intestins de souris à l'aide d'ultrasons.

"Il s'agit du premier gène rapporteur acoustique utilisé en imagerie ultrasonore, " dit Shapiro. " Nous espérons que cela fera finalement pour les ultrasons ce que la protéine fluorescente verte a fait pour les techniques d'imagerie basées sur la lumière, qui est de vraiment révolutionner l'imagerie des cellules d'une manière qui n'était pas possible auparavant."

Les chercheurs disent que la technologie devrait être bientôt disponible pour les scientifiques qui font de la recherche sur les animaux, bien qu'il faudra encore de nombreuses années pour développer la méthode à utiliser chez l'homme.