Ouvrir le monde des bactéries : des chercheurs présentent une nouvelle approche pour rendre les bactéries sensibles au génie génétique

Les bactéries peuplent pratiquement tous les habitats sur Terre, y compris à l’intérieur et sur notre propre corps. Comprendre et concevoir des bactéries peut conduire à de nouvelles méthodes de diagnostic, de traitement et de prévention des infections. En outre, cela offre la possibilité de protéger les cultures contre les maladies et de créer des usines cellulaires durables pour la production chimique, réduisant ainsi l’impact environnemental – quelques-uns des nombreux avantages pour la société.

Pour bénéficier de ces avantages, les scientifiques doivent pouvoir manipuler le contenu génétique de ces bactéries. Cependant, un goulot d’étranglement de longue date dans le génie génétique des bactéries est la transformation efficace de l’ADN, le processus d’introduction d’ADN étranger dans une cellule. Cela a limité son application à un petit sous-ensemble de microbes.

Un obstacle majeur est la présence de systèmes de restriction-modification. Ces systèmes protecteurs marquent le génome bactérien avec un modèle de méthylation unique et détruisent l’ADN étranger entrant qui ne présente pas ce modèle.

Pour surmonter cette barrière, il faut ajouter le modèle de la bactérie à l’ADN, un processus spécifique à la souche et impliquant plusieurs ADN méthyltransférases. Ces enzymes attachent des groupes méthyle, de petits groupes chimiques contenant un atome de carbone lié à trois atomes d’hydrogène, aux bases de l’ADN. Les méthodes actuelles pour reproduire ou contourner ces modèles de méthylation de l’ADN demandent beaucoup de travail et ne sont pas facilement évolutives, ce qui nécessite de nouvelles approches.

Pour relever ce défi, une équipe dirigée par l’Institut Helmholtz pour la recherche sur les infections à base d’ARN (HIRI), un site du Centre Helmholtz de Braunschweig pour la recherche sur les infections (HZI) en coopération avec la Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), a introduit une nouvelle approche pour recréer de tels modèles et améliorer la transformation de l’ADN. Ils l’ont appelé IMPRINT, qui signifie Imitating Methylation Patterns Rapidly IN TXTL.

Dans le cadre de cette méthode, les chercheurs utilisent un système de transcription-traduction acellulaire (TXTL) – un mélange liquide capable de produire des acides ribonucléiques (ARN) et des protéines à partir d’ADN ajouté – pour exprimer l’ensemble spécifique d’ADN méthyltransférases d’une bactérie. Les enzymes sont ensuite utilisées pour méthyler l’ADN avant son introduction dans la bactérie cible.

Une toute nouvelle application

“IMPRINT représente une utilisation entièrement nouvelle du TXTL. Bien que le TXTL soit largement utilisé à diverses fins, notamment pour produire des protéines difficiles à exprimer ou comme outil de diagnostic abordable, il n’a pas encore été utilisé pour surmonter les obstacles à la transformation de l’ADN chez les bactéries”, déclare Chase Beisel, chef du département de biologie synthétique de l’ARN au HIRI et professeur à la faculté de médecine JMU. Il a dirigé l’étude en collaboration avec des chercheurs de la North Carolina State University (NC State) à Raleigh, aux États-Unis. Leurs résultats ont été publiés aujourd’hui dans la revue Cellule moléculaire.

Par rapport aux méthodes existantes, IMPRINT offre rapidité et simplicité. « Les approches actuelles nécessitent soit de purifier laborieusement les méthyltransférases d’ADN individuelles, soit de les exprimer dans E. coli, ce qui s’avère souvent cytotoxique », explique Justin M. Vento, premier auteur de l’étude qui a terminé ses travaux en tant qu’étudiant au doctorat au département de génie chimique et biomoléculaire de l’université d’État de Caroline du Nord. « Ces méthodes peuvent prendre des jours, voire des semaines, et ne reconstituer qu’une fraction du schéma de méthylation de la bactérie. »

Les chercheurs ont démontré qu’IMPRINT pouvait exprimer un large éventail d’ADN méthyltransférases. De plus, ces enzymes pourraient être combinées pour recréer des modèles de méthylation complexes. Cela a considérablement amélioré la transformation de l’ADN chez des bactéries telles que l’agent pathogène Salmonella et les bifidobactéries probiotiques, y compris une souche difficile à transformer de cette dernière bactérie, moins étudiée.

La base de nouveaux antibiotiques et thérapies cellulaires

Les applications potentielles dans la médecine et la recherche modernes sont nombreuses : IMPRINT peut améliorer la transformation de l’ADN dans les isolats cliniques de bactéries pathogènes et dans les bactéries qui combattent les infections, telles que les bactéries commensales ou celles produisant des composés antibactériens. La modification génétique de ces microbes pourrait conduire à de nouvelles classes d’antibiotiques et de thérapies cellulaires.

L’équipe de recherche vise à étendre l’utilisation d’IMPRINT. “Nous voulons rendre une grande variété d’agents pathogènes bactériens génétiquement traitables pour la recherche”, explique Beisel. Il espère qu’IMPRINT sera largement adopté par la communauté des chercheurs.

“Jusqu’à présent, certaines bactéries ont été privilégiées comme modèles simplement parce qu’elles sont plus faciles à manipuler génétiquement. Nous espérons qu’en utilisant IMPRINT, les chercheurs pourront se concentrer sur les souches bactériennes les plus importantes, telles que celles présentant une virulence accrue ou des antibiotiques. résistance”, conclut Beisel.