Les biologistes synthétiques de l'Université Rice ont piraté la détection bactérienne avec un système plug-and-play qui pourrait être utilisé pour mélanger et assortir des dizaines de milliers d'entrées sensorielles et de sorties génétiques. La technologie a de vastes implications pour le diagnostic médical, l'étude des agents pathogènes mortels, surveillance environnementale et plus encore.

Dans un projet de près de six ans, Le bio-ingénieur du riz Jeff Tabor et ses collègues ont mené des milliers d'expériences pour montrer qu'ils pouvaient systématiquement recâbler des systèmes à deux composants, les circuits génétiques que les bactéries utilisent pour sentir leur environnement et écouter leurs voisins. Leurs travaux figurent dans une étude publiée cette semaine dans Nature Chimie Biologie .

Le groupe de Tabor a recâblé les sorties de capteurs bactériens connus et a également déplacé des capteurs entre des bactéries éloignées. Plus important encore, ils ont montré qu'ils pouvaient identifier la fonction d'un capteur inconnu.

« Sur la base d'analyses génomiques, nous savons qu'il y en a au moins 25, 000 systèmes bi-composants chez les bactéries, " dit Tabor, professeur agrégé de bio-ingénierie à la Brown School of Engineering de Rice et scientifique principal du projet. "Toutefois, pour environ 99% d'entre eux, nous n'avons aucune idée de ce qu'ils ressentent ou des gènes qu'ils activent en réponse."

L'importance d'un nouvel outil qui déverrouille les systèmes à deux composants est soulignée par la découverte en 2018 de deux souches d'un mortel, bactérie multirésistante qui utilise un système à deux composants inconnu pour échapper à la colistine, un antibiotique de dernier recours. Mais Tabor a déclaré que les utilisations possibles de l'outil vont au-delà de la médecine.

"C'est le plus grand trésor de biocapteurs de la nature, " Il a dit. " Sur la base de la spécificité et de la sensibilité exquise de certains des systèmes à deux composants que nous comprenons, il est largement admis que les capteurs bactériens surpasseront tout ce que les humains peuvent faire avec la meilleure technologie d'aujourd'hui."

Tabor a dit que c'est parce que les capteurs bactériens ont été affinés et affinés au cours de milliards d'années d'évolution.

"Les bactéries n'ont rien d'aussi sophistiqué que les yeux, des oreilles ou un nez, mais ils voyagent entre des environnements très différents - comme une feuille, un intestin ou le sol - et leur survie dépend de leur capacité à ressentir et à s'adapter à ces changements, " il a dit.

"Les systèmes à deux composants sont la façon dont ils le font, " a déclaré Tabor. " Ce sont les systèmes qu'ils utilisent pour " voir " la lumière, « sentir » les produits chimiques qui les entourent et « entendre » les dernières nouvelles de la communauté, qui se présente sous la forme de tweets biochimiques diffusés par leurs voisins."

Les bactéries sont la forme de vie la plus abondante, et des systèmes à deux composants sont apparus dans pratiquement tous les génomes bactériens qui ont été séquencés. La plupart des espèces ont environ deux douzaines de capteurs et certaines en ont plusieurs centaines.

Il existe plus d'une demi-douzaine de grandes catégories de systèmes à deux composants, mais tous fonctionnent de la même manière. Ils ont un composant kinase de capteur (SK) qui "écoute" un signal du monde extérieur, et après "l'entendre", initie un processus appelé phosphorylation. Cela active le deuxième composant, un régulateur de réponse (RR) qui agit sur un gène spécifique en l'allumant ou en l'éteignant comme un interrupteur ou en haut ou en bas comme un cadran.

Alors que le code génétique des composants est facilement repérable sur une analyse génomique, le double mystère rend presque impossible pour les biologistes de déterminer ce que fait un système à deux composants.

"Si vous ne connaissez pas le signal qu'il détecte et que vous ne connaissez pas le gène sur lequel il agit, c'est vraiment dur, " Tabor a déclaré. "Nous connaissons soit l'entrée ou la sortie d'environ 1% des systèmes à deux composants, et nous connaissons à la fois les entrées et les sorties pour moins encore."

Les scientifiques savent que les SK sont généralement des protéines transmembranaires, avec un domaine de détection, une sorte d'antenne biochimique, qui traverse la membrane externe en forme de sac de la bactérie. Chaque domaine de capteur est conçu pour se verrouiller sur une molécule de signal spécifique, ou un ligand. Chaque SK a son propre ligand cible, et la liaison avec le ligand est ce qui déclenche la réaction en chaîne qui active un gène, désactivé, haut ou bas.

Surtout, bien que chaque système à deux composants soit optimisé pour un ligand spécifique, leurs composants SK et RR fonctionnent de manière similaire. Dans cet esprit, Tabor et l'auteur principal de l'étude Sebastian Schmidl ont décidé fin 2013 d'essayer d'échanger le domaine de liaison à l'ADN, la partie du régulateur de réponse qui reconnaît l'ADN et active le gène cible de la voie.

"Si vous regardez les études structurelles précédentes, le domaine de liaison à l'ADN ressemble souvent à une cargaison qui vient de faire du stop depuis le domaine de phosphorylation, " dit Tabor. " A cause de cela, nous pensions que les domaines de liaison à l'ADN pourraient fonctionner comme des modules interchangeables, ou des blocs Lego."

Pour tester l'idée, Schmidl, puis chercheur postdoctoral DFG dans le groupe Tabor, recâblé les composants de deux capteurs de lumière que l'équipe de Tabor avait précédemment développés, un qui a répondu au feu rouge et un autre qui a répondu au vert. Schmidl a recâblé l'entrée du capteur de lumière rouge à la sortie du capteur de lumière verte à 39 emplacements différents entre les domaines de phosphorylation et de liaison à l'ADN. Pour voir si l'une des 39 épissures a fonctionné, il les a stimulés avec une lumière rouge et a cherché une réponse de lumière verte.

"Dix d'entre eux ont travaillé du premier coup, et il y avait un optimum, un endroit précis où l'épissure semblait vraiment bien fonctionner, " dit Tabor.

En réalité, le test a si bien fonctionné que lui et Schmidl ont pensé qu'ils auraient simplement eu de la chance et qu'ils auraient fusionné deux voies inhabituellement bien assorties. Alors ils ont répété le test, attacher d'abord quatre domaines de liaison à l'ADN supplémentaires au même régulateur de réponse et plus tard attacher cinq domaines de liaison à l'ADN à la même voie de détection. La plupart de ces recâblages ont également fonctionné, indiquant que l'approche était beaucoup plus modulaire que toutes les approches précédemment publiées.

Schmidl, maintenant professeur adjoint de biologie au campus RELLIS du Texas A&M University System à Bryan, a quitté Rice en 2016. Co-auteur principal Felix Ekness, un doctorat étudiant en Rice's Systems, Programme de Biologie Synthétique et Physique (SSPB), puis a repris le projet, concevoir des dizaines de nouvelles chimères et mener des centaines d'autres expériences pour montrer que la méthode pourrait être utilisée pour mélanger et faire correspondre des domaines de liaison à l'ADN entre différentes espèces de bactéries et entre différentes familles de systèmes à deux composants.

Tabor savait qu'un journal de haut niveau nécessiterait une démonstration de la façon dont la technologie pourrait être utilisée, et découvrir la fonction d'un tout nouveau système à deux composants était le test ultime. Pour ça, boursière postdoctorale Kristina Daeffler et SSPB Ph.D. L'étudiante Kathryn Brink a transplanté sept différents systèmes inconnus à deux composants de la bactérie Shewanella oneidensis dans E. coli. Ils ont conçu une nouvelle souche d'E. coli pour chaque capteur inconnu, et utilisé l'échange de domaine de liaison à l'ADN pour lier toutes leurs activités à l'expression de la protéine fluorescente verte.

Bien qu'ils ne connaissaient pas l'entrée pour l'un des sept, ils savaient que S. oneidensis avait été découvert dans un lac du nord de l'État de New York. Basé sur cela, ils ont choisi 117 produits chimiques différents que S. oneidensis pourrait bénéficier de la détection. Parce que chaque produit chimique devait être testé individuellement avec chaque mutant et un groupe témoin, Brink a dû effectuer et reproduire presque 1, 000 expériences distinctes. L'effort a porté ses fruits lorsqu'elle a découvert que l'un des capteurs détectait des changements de pH.

Une recherche génomique du capteur nouvellement identifié a souligné l'importance de disposer d'un outil pour déverrouiller les systèmes à deux composants :le capteur de pH a été retrouvé dans plusieurs bactéries, y compris l'agent pathogène qui cause la peste bubonique.

"Cela met en évidence comment le déverrouillage du mécanisme des systèmes à deux composants pourrait nous aider à mieux comprendre et, espérons-le, à mieux traiter la maladie également, " dit Tabor.

Où Tabor emmène-t-il la technologie ensuite ?

Il l'utilise pour extraire les génomes de bactéries intestinales humaines pour de nouveaux capteurs de maladies, notamment les maladies inflammatoires de l'intestin et le cancer, dans le but de concevoir une nouvelle génération de probiotiques intelligents capables de diagnostiquer et de traiter ces maladies.