Une nouvelle technique d'écriture d'ADN peut éditer avec précision et efficacité les génomes bactériens

Les ingénieurs biologistes du MIT ont mis au point une nouvelle façon d'éditer efficacement des génomes bactériens et de programmer des mémoires dans des cellules bactériennes en réécrivant leur ADN. En utilisant cette approche, diverses formes d'informations spatiales et temporelles peuvent être stockées de manière permanente pendant des générations et récupérées en séquençant l'ADN des cellules.

La nouvelle technique d'écriture de l'ADN, que les chercheurs appellent HiSCRIBE, est beaucoup plus efficace que les systèmes précédemment développés pour éditer l'ADN dans les bactéries, qui n'a eu qu'un taux de réussite d'environ 1 sur 10, 000 cellules par génération. Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont démontré que cette approche pouvait être utilisée pour stocker la mémoire des interactions cellulaires ou de la localisation spatiale.

Cette technique pourrait également permettre d'éditer sélectivement, Activer, ou faire taire les gènes de certaines espèces de bactéries vivant dans une communauté naturelle telle que le microbiome humain, disent les chercheurs.

Avec ce nouveau système d'écriture d'ADN, nous pouvons éditer avec précision et efficacité les génomes bactériens sans aucune forme de sélection, au sein d'écosystèmes bactériens complexes. Cela nous permet d'effectuer l'édition du génome et l'écriture d'ADN en dehors des paramètres de laboratoire, s'il faut fabriquer des bactéries, optimiser les traits d'intérêt in situ, ou étudier la dynamique évolutive et les interactions dans les populations bactériennes."

Fahim Farzadfard, ancien post-doctorant du MIT et auteur principal de l'article

Timothée Lou, professeur agrégé au MIT en génie électrique et informatique et en génie biologique, est l'auteur principal de l'étude, qui apparaît aujourd'hui dans Systèmes cellulaires . Nava Gharaei, un ancien étudiant diplômé de l'Université Harvard, et Robert Citorik, un ancien étudiant diplômé du MIT, sont également auteurs de l'étude.

Écriture du génome et enregistrement des mémoires

Pour plusieurs années, Le laboratoire de Lu a travaillé sur des moyens d'utiliser l'ADN pour stocker des informations telles que la mémoire d'événements cellulaires. En 2014, lui et Farzadfard ont développé un moyen d'utiliser des bactéries comme « magnétophone génomique, " ingénierie E. coli pour stocker des souvenirs à long terme d'événements tels qu'une exposition à des produits chimiques.

Pour y parvenir, les chercheurs ont conçu les cellules pour produire une enzyme transcriptase inverse appelée rétron, qui produit un ADN simple brin (ssDNA) lorsqu'il est exprimé dans les cellules, et une enzyme recombinase, qui peut insérer ("écrire") une séquence spécifique d'ADN simple brin dans un site ciblé du génome. Cet ADN n'est produit que lorsqu'il est activé par la présence d'une molécule prédéterminée ou d'un autre type d'entrée, comme la lumière. Une fois l'ADN produit, la recombinase insère l'ADN dans un site préprogrammé, qui peut être n'importe où dans le génome.

Cette technique, que les chercheurs ont appelé SCRIBE, avait une efficacité d'écriture relativement faible. A chaque génération, sur 10, 000 E. coli cellules, un seul acquerrait le nouvel ADN que les chercheurs ont tenté d'incorporer dans les cellules. C'est en partie parce que le E. coli ont des mécanismes cellulaires qui empêchent l'ADN simple brin de s'accumuler et de s'intégrer dans leurs génomes.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont essayé d'augmenter l'efficacité du processus en éliminant certains des E. coli' s mécanismes de défense contre l'ADN simple brin. D'abord, ils ont désactivé des enzymes appelées exonucléases, qui décomposent l'ADN simple brin. Ils ont également éliminé des gènes impliqués dans un système appelé réparation des mésappariements, qui empêche normalement l'intégration de l'ADN simple brin dans le génome.

Avec ces modifications, les chercheurs ont pu réaliser une incorporation quasi universelle des changements génétiques qu'ils ont essayé d'introduire, créant un moyen inégalé et efficace d'éditer les génomes bactériens sans avoir besoin de sélection.

« En raison de cette amélioration, nous avons pu faire certaines applications que nous n'étions pas capables de faire avec la génération précédente de SCRIBE ou avec d'autres technologies d'écriture d'ADN, " dit Farzadfard.

Interactions cellulaires

Dans leur étude de 2014, les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient utiliser SCRIBE pour enregistrer la durée et l'intensité de l'exposition à une molécule spécifique. Avec leur nouveau système HiSCRIBE, ils peuvent retracer ces types d'expositions ainsi que d'autres types d'événements, telles que les interactions entre les cellules.

A titre d'exemple, les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient suivre un processus appelé conjugaison bactérienne, au cours de laquelle les bactéries échangent des morceaux d'ADN. En intégrant un "code-barres" ADN dans le génome de chaque cellule, qui peuvent ensuite être échangés avec d'autres cellules, les chercheurs peuvent déterminer quelles cellules ont interagi les unes avec les autres en séquençant leur ADN pour voir quels codes-barres elles portent.

Ce type de cartographie pourrait aider les chercheurs à étudier comment les bactéries communiquent entre elles au sein d'agrégats tels que les biofilms. Si une approche similaire pouvait être déployée dans des cellules de mammifères, il pourrait un jour être utilisé pour cartographier les interactions entre d'autres types de cellules telles que les neurones, dit Farzadfard. Les virus qui peuvent traverser les synapses neurales pourraient être programmés pour porter des codes-barres ADN que les chercheurs pourraient utiliser pour tracer les connexions entre les neurones, offrant une nouvelle façon d'aider à cartographier le connectome du cerveau.

"Nous utilisons l'ADN comme mécanisme pour enregistrer des informations spatiales sur l'interaction des cellules bactériennes, et peut-être dans le futur, neurones qui ont été marqués, " dit Farzadfard.

Les chercheurs ont également montré qu'ils pouvaient utiliser cette technique pour éditer spécifiquement le génome d'une espèce de bactéries au sein d'une communauté de plusieurs espèces. Dans ce cas, ils ont introduit le gène d'une enzyme qui décompose le galactose en E. coli cellules se développant en culture avec plusieurs autres espèces de bactéries.

Ce type d'édition sélective d'espèces pourrait offrir un nouveau moyen de rendre les bactéries résistantes aux antibiotiques plus sensibles aux médicaments existants en faisant taire leurs gènes de résistance, disent les chercheurs. Cependant, de tels traitements nécessiteraient probablement plusieurs années de recherche supplémentaires pour être mis au point, ils disent.

Les chercheurs ont également montré qu'ils pouvaient utiliser cette technique pour concevoir un écosystème synthétique composé de bactéries et de bactériophages capables de réécrire en continu certains segments de leur génome et d'évoluer de manière autonome avec un taux supérieur à celui que permettrait l'évolution naturelle. Dans ce cas, ils ont pu optimiser la capacité des cellules à consommer la consommation de lactose.

"Cette approche pourrait être utilisée pour l'ingénierie évolutive des traits cellulaires, ou dans des études expérimentales d'évolution en vous permettant de rejouer la bande de l'évolution encore et encore, " dit Farzadfard.

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