Une plateforme de laboratoire DIY évalue de nouvelles molécules en quelques minutes

Les plantes sont des centrales de fabrication moléculaire. Au fil des siècles, elles ont évolué pour produire une multitude de petites molécules, certaines bénéfiques et précieuses pour l’homme, tandis que d’autres peuvent être mortelles. Depuis des années, les scientifiques à la recherche de nouveaux médicaments ont recours à un test d’odorat scientifique pour distinguer les molécules bénéfiques dérivées des plantes de celles qui sont nocives : ils déposent un peu de la molécule à une extrémité d’une boîte de Petri et déposent de minuscules vers nématodes (C. elegans) à l’autre extrémité, puis attendent de voir si les vers sensibles aux produits chimiques se rapprochent ou s’éloignent du composé en question, un processus connu sous le nom de chimiotaxie.

Cette méthode « artisanale » est terriblement lente. L’analyse d’une seule nouvelle molécule peut prendre deux heures. Mais aujourd’hui, une équipe de l’Institut de neurosciences Wu Tsai de l’Université de Stanford, dirigée par Miriam Goodman, professeur de biologie moléculaire et cellulaire, a développé du matériel et des logiciels qui transforment un scanner à plat standard en une plate-forme de laboratoire capable d’évaluer des dizaines de personnes. d’échantillons de chimiotaxie en quelques minutes. La plate-forme peut préparer 20 plaques à la fois et installer quatre plaques sur un scanner pour effectuer 80 analyses chimiques en une heure environ.

“À l’époque artisanale, si quelqu’un était vraiment compétent, avait effectué tout le travail de préparation et disposait de tout le matériel, cela pourrait prendre deux semaines pour effectuer autant d’analyses”, a déclaré Goodman. L’équipe décrit les composants de leur plateforme DIY et propose le code open source dans un nouvel article de la revue Biologie PLOS.

La grande idée

Cela paraît simple, mais le développement de la plateforme n’a pas été une mince affaire pour l’équipe, qui comprenait les co-chercheurs Seung « Sue » Y. Rhee, directrice du Plant Resilience Institute de l’Université d’État du Michigan (anciennement de la Carnegie Institution for Science de Stanford) et Thomas R. Clandinin, professeur de neurobiologie à Stanford. Il a fallu au trio et à leurs laboratoires plus de cinq ans pour concevoir, créer, tester et évaluer leur approche depuis sa conception jusqu’à sa publication.

Le projet, baptisé « Neuro-Plant Initiative », a nécessité la participation d’experts en neurosciences, biologie animale et végétale, sciences de laboratoire, génie mécanique et informatique. L’équipe espère désormais que la plateforme deviendra omniprésente et permettra de découvrir rapidement de nouvelles molécules prometteuses qui pourront être utilisées dans les laboratoires de médecine, de biologie, d’agriculture et de neurosciences, actuellement embourbés dans des méthodes artisanales.

« Dans le domaine de la recherche sur les nématodes, on compte environ 1 200 laboratoires à travers le monde », a noté Goodman. La plateforme pourrait s’avérer utile pour découvrir d’autres types de produits chimiques ou identifier les espèces de bactéries qui attirent ou repoussent les nématodes qui se nourrissent de bactéries, a-t-elle expliqué.

Une myriade de possibilités

La co-auteure Sue Rhee, professeure à la Fondation MSU dans les départements de biochimie et de biologie moléculaire, de biologie végétale et de plante, sol et microbiologie, étudie comment les plantes fabriquent une myriade de composés et les utilisent pour communiquer avec leur environnement. Parmi les centaines de milliers de composés produits par les plantes, Rhee affirme que nous en savons très peu sur la façon dont ils sont fabriqués ou utilisés dans la nature.

“Un dogme de longue date veut qu’ils soient utilisés pour se défendre contre les parasites ou pour attirer les pollinisateurs, mais seul un petit nombre de ces composés ont des rôles connus”, a déclaré Rhee. “Grâce à cet ingénieux test de chimiotaxie à haut débit, j’espère que nous pourrons commencer à percer ces mystères chimiques à grande échelle.”

Le co-auteur Thomas Clandinin est un neurobiologiste qui étudie la manière dont les animaux utilisent des entrées sensorielles spécifiques pour sélectionner les actions comportementales appropriées. Son laboratoire a contribué au développement d’un moyen de stabiliser les vers lorsqu’ils sont en suspension dans un liquide, facilitant ainsi les méthodes automatisées de distribution de vers à l’échelle nécessaire pour s’éloigner de la méthode artisanale.

« Le développement de cette méthode automatisée pour examiner le comportement de la chimiotaxie à grande échelle ouvrira une multitude de nouvelles possibilités pour explorer les riches connexions entre les odeurs et leurs récepteurs », a déclaré Clandinin.

Prochaines étapes

Goodman espère ensuite mettre son invention en pratique dans son propre laboratoire de neurosciences pour comprendre les bases neuronales et chimiques de la capacité des nématodes à distinguer les bonnes molécules des mauvaises. Elle poursuit une collaboration avec des chercheurs de l’université de Harvard pour utiliser l’imagerie calcique afin d’enregistrer l’activité de tous les neurones olfactifs (sensibles à l’odorat) du ver lorsqu’il se rapproche ou s’éloigne d’une molécule. Dans le cadre de ces travaux, Goodman prévoit d’utiliser sa plateforme d’analyse pour effectuer des recherches comportementales à plus grande échelle, en manipulant des neurones individuels dans le système nerveux des vers et en faisant correspondre les composés aux récepteurs.

Le test de reniflement des nématodes est une compétence partagée par de nombreux animaux, y compris les humains, souligne Goodman. Elle espère appliquer ces connaissances en neurosciences à ce sujet fascinant et ses travaux, dont elle est certaine, seront accélérés par cette nouvelle plateforme. Que ce soit chez les vers ou chez les humains, dit-elle, les récepteurs chimiques du système olfactif qui se lient à ces molécules retiennent exactement le même produit chimique.

« La forme de ces poches de liaison devrait être similaire chez les deux êtres. Même si elles sont différentes, il sera utile de le savoir », a déclaré Goodman. « C’est une recherche qui m’enthousiasme vraiment. »