Comment des enzymes bactériennes codées par des gènes inconnus pourraient aider à nettoyer la pollution

Les enzymes sont des nanomachines biologiques. Ils réalisent presque toute la chimie de la vie, quand et où cela est nécessaire. En raison de leur polyvalence et de leur puissance, les enzymes peuvent être très utiles en biotechnologie. Extraits des cellules vivantes, ils peuvent être utilisés pour synthétiser ou modifier des produits pharmaceutiques ou pour dégrader des polluants potentiels.

Les bactéries contiennent des gènes codant pour une gamme insondable d’enzymes. Cependant, les scientifiques ont à peine effleuré la surface de ce potentiel, car 99 % des bactéries ne peuvent pas être cultivées en laboratoire et sont donc largement peu étudiées.

Mon équipe a résolu ce problème en traitant l’intégralité de l’ADN bactérien du sol, représentant des milliers d’espèces bactériennes, comme un « logiciel génétique ».

Dans notre nouvelle recherche publiée dans Biologie chimique cellulairenous montrons comment nous pouvons transférer ce logiciel sur des souches bactériennes de laboratoire, puis cribler de nouvelles fonctions souhaitables et isoler les enzymes responsables.

Découvrir de nouvelles enzymes

Depuis plus d’un siècle, les scientifiques collectent des échantillons de sol et cultivent des bactéries, puis trouvent des utilisations pour les enzymes produites par ces bactéries. Cependant, lorsque des technologies sophistiquées de séquençage de l’ADN ont été développées au tournant du millénaire, il est devenu évident que les méthodes de culture standard manquaient de la plupart des bactéries présentes.

Ces technologies ont montré qu’un gramme de sol, à partir duquel moins de 100 espèces microbiennes différentes peuvent être cultivées, en contient en réalité plusieurs milliers.

Les mêmes technologies de séquençage de l’ADN ont révélé que les bactéries difficiles à cultiver contiennent un grand nombre de gènes dont la fonction est totalement inconnue. Nous découvrons que certains de ces gènes mystérieux peuvent nous aider à résoudre des problèmes majeurs.

Les gènes ne sont en réalité que des unités d’information passives : des morceaux de code logiciel présents sur le disque dur d’une cellule vivante. Mais lorsque cette information est activée, le résultat est la production de protéines. La plupart d’entre eux sont des enzymes.

Ces enzymes agissent alors comme des catalyseurs à l’échelle nanométrique pour la chimie qui se produit dans une cellule vivante. Ici, l’analogie avec le logiciel est quelque peu problématique, car la vie est biologique et non numérique, ce qui signifie qu’elle est bruyante et désordonnée.

Ainsi, une enzyme pourrait remplir une fonction principale qui apporterait une contribution évidente au bien-être d’une cellule. Mais il pourrait également être capable de faire une douzaine d’autres choses mineures qui peuvent ou non avoir une valeur évidente.

Ces rôles mineurs de « travail au noir » sont très importants pour l’évolution. Une fonction qui n’a aucune importance aujourd’hui pourrait s’avérer essentielle à l’avenir, lorsqu’une toute nouvelle contrainte surviendra.

Mon équipe souhaite exploiter le potentiel évolutif des enzymes « inconnues » des bactéries vivant dans le sol pour résoudre des problèmes importants. Pour y parvenir, nous travaillons en partenariat avec l’équipe Living Pā de Te Herenga Waka pour découvrir de nouvelles enzymes à partir d’échantillons de sol, collectés sur place avec leur autorisation.

Utiliser des enzymes pour résoudre les problèmes

L’une des conséquences malheureuses de l’évolution est que les bactéries contiennent souvent des enzymes capables de fournir de faibles niveaux de protection contre les nouveaux antibiotiques développés pour lutter contre les maladies. Si ces antibiotiques sont surutilisés ou utilisés de manière inappropriée, les bactéries pourraient commencer à promouvoir leur fonction protectrice. C’est ainsi qu’évolue la résistance totale aux antibiotiques.

C’est un problème très réel. Chaque année, des millions de personnes meurent d’infections bactériennes qui étaient auparavant traitables, mais qui ne le sont plus. Mon équipe étudie comment une résistance bactérienne à de nouveaux antibiotiques prometteurs peut apparaître, afin que des contre-mesures puissent être mises en place avant qu’il ne soit trop tard.

Mais nous nous intéressons également à la manière dont des enzymes inconnues codées par des gènes inconnus pourraient être directement utiles – ou évoluer pour être utiles – pour des applications de protection et de préservation de l’environnement. Par exemple, des enzymes sont découvertes et développées pour permettre un recyclage plus efficace des plastiques ou pour éliminer les polluants environnementaux persistants.

Nos derniers travaux représentent une percée dans le développement de nouvelles méthodes pour étudier les millions de gènes inconnus qui peuvent être extraits d’échantillons de saleté.

Notre approche commence par extraire tout l’ADN bactérien présent dans le sol et le diviser en petits morceaux contenant seulement un ou deux gènes. Nous les plaçons ensuite dans un système de transport spécial qui leur permet d’être introduits dans une bactérie de laboratoire apprivoisée appelée Escherichia coli.

Notre innovation réside dans la manière dont nous accédons aux informations contenues dans les gènes nouvellement introduits, ce qui n’est pas immédiatement facile à réaliser. Par analogie, nous savons tous que les logiciels Android ne fonctionnent généralement pas sur les systèmes d’exploitation Apple. Imaginez s’il n’y avait pas seulement quelques systèmes d’exploitation incompatibles, mais plusieurs milliers. C’est le problème auquel nous sommes confrontés.

Nous avons démarré une souche bactérienne couramment utilisée en laboratoire (E. coli) avec un nouveau logiciel qui serait généralement totalement incompatible. Mais nous avons développé un émulateur universellement applicable qui permet à E. coli d’exécuter la plupart des nouveaux logiciels qui y sont intégrés.

Nous pouvons ensuite rechercher des bactéries E. coli individuelles qui ont acquis de nouvelles propriétés qui nous intéressent, par exemple la dégradation des polluants cibles. Bien que les enzymes responsables de ces nouvelles activités ne soient pas très efficaces au départ, l’imitation des processus évolutifs naturels dans l’environnement de laboratoire peut améliorer une activité initiale de faible qualité jusqu’à un niveau industriellement utile.

Parce que les enzymes sont non vivantes, biodégradables et ne peuvent en aucun cas se reproduire, elles offrent des solutions sûres et contrôlées à un large éventail de problèmes, si nous parvenons à en trouver des capables de faire le travail.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lisez l’article original.