Les bactéries magnétiques pourraient bientôt être utilisées pour la production de nouveaux biomatériaux. Une équipe de microbiologistes de l'Université de Bayreuth dirigée par le Prof. Dr. Dirk Schüler a développé un système modulaire pour la reprogrammation génétique des bactéries, transformant ainsi les organismes en usines cellulaires pour les nanoparticules magnétiques multifonctionnelles qui combinent diverses fonctions et propriétés utiles. En raison de leurs propriétés magnétiques exceptionnelles et de leur bonne biocompatibilité, ces nanoparticules pourraient être un nouveau matériau prometteur dans le domaine biomédical et biotechnologique. Dans la revue Petit les scientifiques ont présenté leurs conclusions.

Des magnétosomes aux nanoparticules polyvalentes

Les bactéries magnétiques de l'espèce Magnetospirillum gryphiswaldense alignent leur comportement de nage le long du champ magnétique terrestre. Au sein des cellules, nanoparticules magnétiques, les magnétosomes, sont disposés en chaîne, formant ainsi une aiguille de boussole intracellulaire. Chaque magnétosome est constitué d'un noyau magnétique d'oxyde de fer entouré d'une membrane. En plus des lipides, cette membrane contient également une variété de protéines différentes. Les microbiologistes de l'Université de Bayreuth ont maintenant réussi à coupler des groupes fonctionnels biochimiquement actifs, qui proviennent de divers organismes étrangers, à ces protéines. La méthode utilisée ici commence au stade des gènes responsables de la biosynthèse des protéines membranaires. Ces gènes bactériens sont fusionnés à des gènes étrangers provenant d'autres organismes qui contrôlent la production des protéines fonctionnelles respectives. Dès que les gènes sont réintégrés dans le génome, les bactéries reprogrammées produisent des magnétosomes qui présentent ces protéines étrangères installées en permanence à la surface des particules.

Dans l'étude, quatre groupes fonctionnels différents (c'est-à-dire des protéines étrangères) ont été couplés aux protéines membranaires. Ceux-ci incluent l'enzyme glucose oxydase d'un champignon de moisissure, qui est déjà utilisé en biotechnologie, par exemple comme "capteur de sucre" dans les maladies du diabète. En outre, une protéine fluorescente verte issue d'une méduse et une enzyme colorante issue de la bactérie Escherichia coli, dont l'activité peut être facilement mesurée, ont été installés à la surface des magnétosomes. Le quatrième groupe fonctionnel est un fragment d'anticorps d'un lama (alpaga) qui a été utilisé comme connecteur polyvalent. Ainsi, toutes ces propriétés, y compris la superbe magnétisation des magnétosomes, sont génétiquement codées dans les bactéries.

"En utilisant cette stratégie génétique, nous avons reprogrammé les bactéries pour produire des magnétosomes qui brillent en vert lorsqu'ils sont irradiés avec de la lumière UV et présentent en même temps de nouvelles fonctions biocatalytiques. Diverses fonctions biochimiques peuvent être installées avec précision sur leurs surfaces. Ainsi, les magnétosomes de bactéries vivantes sont transformés en nanoparticules multifonctionnelles aux fonctions et propriétés fascinantes. De plus, les particules restent pleinement fonctionnelles lorsqu'elles sont isolées des bactéries, ce qui peut être facilement réalisé en tirant parti de leurs propriétés magnétiques inhérentes, " dit le professeur Dirk Schüler, qui a dirigé l'équipe de recherche.

Une boîte à outils génétique pour des applications en biomédecine et biotechnologie

La fonctionnalisation des magnétosomes ne se limite en aucun cas aux groupes fonctionnels qui ont été installés à la surface des particules par les microbiologistes de Bayreuth. Au lieu, ces protéines peuvent facilement être remplacées par d'autres fonctions, fournissant ainsi une plate-forme très polyvalente. La reprogrammation génétique ouvre donc un large spectre pour concevoir la surface du magnétosome. Il fournit la base d'une "boîte à outils génétique" qui permet la production de nanoparticules magnétiques sur mesure, combinant différentes fonctions et propriétés utiles. Chacune de ces particules mesure entre trois et cinq nanomètres.

"Notre approche de génie génétique est hautement sélective et précise, par rapport à, par exemple, des techniques de couplage chimique moins performantes et dépourvues de ce haut degré de maîtrise, " explique le microbiologiste de Bayreuth Dr Frank Mickoleit, le premier auteur de l'étude. Il souligne un avantage décisif des nouveaux biomatériaux :« Des études antérieures montrent que les nanoparticules magnétiques ne sont probablement pas nocives pour les cultures cellulaires. Une bonne biocompatibilité est une condition préalable importante pour l'application future des particules en biomédecine, par exemple comme agents de contraste dans les techniques d'imagerie magnétique ou comme capteurs magnétiques dans le diagnostic. À l'avenir, par exemple, des particules similaires pourraient aider à détecter et à détruire les cellules tumorales. Les systèmes de bioréacteurs sont un autre domaine d'application. Des nanoparticules magnétiques équipées de minuscules catalyseurs conviendraient parfaitement à cette fin et permettraient des processus biochimiques complexes.

« Il existe un énorme potentiel d'application pour les nanoparticules qui présentent différents groupes fonctionnels à la surface, notamment dans les domaines de la biotechnologie et de la biomédecine. Les bactéries magnétiques peuvent maintenant servir de plate-forme pour une nano-boîte à outils polyvalente, inspirant la créativité scientifique dans le domaine de la biologie synthétique. Il initiera d'autres approches de recherche intéressantes, " ajoute la microbiologiste Clarissa Lanzloth B.Sc., qui a participé à la nouvelle étude en tant que co-auteur lors de l'achèvement de sa thèse de maîtrise en biochimie et biologie moléculaire à Bayreuth.