Avancée dans l'édition de gènes : les chercheurs de NC State utilisent CRISPR pour renverser la situation sur les bactéries

RALEIGH – Appelez cela une énigme CRISPR.

Les bactéries utilisent les systèmes CRISPR-Cas comme système immunitaire adaptatif pour résister aux attaques d'ennemis comme les virus. Ces systèmes ont été adaptés par les scientifiques pour supprimer ou couper et remplacer des séquences de code génétique spécifiques dans divers organismes.

[Cas CRISPR est un système immunitaire adaptatif existant chez la plupart des bactéries et archées, les empêchant d'être infectées par des phages, des virus et d'autres éléments génétiques étrangers, selon l'Institut national de la santé.]

Mais dans une nouvelle étude, des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord montrent que les virus conçus avec un système CRISPR-Cas peuvent contrecarrer les défenses bactériennes et apporter des modifications sélectives à une bactérie ciblée, même lorsque d’autres bactéries se trouvent à proximité.

« Les virus sont très efficaces pour délivrer des charges utiles. Ici, nous utilisons un virus bactérien, un bactériophage, pour transmettre CRISPR aux bactéries, ce qui est ironique car les bactéries utilisent normalement CRISPR pour tuer les virus », a déclaré Rodolphe Barrangou, professeur distingué Todd R. Klaenhammer de sciences de l'alimentation, des bioprocédés et de la nutrition à NC State et auteur correspondant d'un article décrivant la recherche publiée aujourd'hui dans Actes de l'Académie nationale des sciences. « Dans ce cas, le virus cible E. coli en lui livrant de l'ADN. C’est comme utiliser un virus comme une seringue.

Les chercheurs de NC State ont déployé deux bactériophages différents pour fournir des charges utiles CRISPR-Cas pour l'édition ciblée de E. coli, d’abord dans un tube à essai, puis dans un environnement de sol synthétique créé pour imiter le sol – un environnement complexe pouvant abriter de nombreux types de bactéries.

Les deux bactériophages modifiés, appelés T7 et lambda, ont réussi à trouver puis à livrer des charges utiles au E. coli hôte sur la paillasse du laboratoire. Ces charges utiles exprimaient des gènes bactériens fluorescents et manipulaient la résistance de la bactérie à un antibiotique.

Les chercheurs ont ensuite utilisé Lambda pour fournir au système un éditeur de base de cytosine. E. coli hôte. Plutôt que le clivage parfois brutal des séquences d'ADN par CRISPR, cet éditeur de base n'a modifié qu'une seule lettre de E. coli's ADN, montrant la sensibilité et la précision du système. Ces changements ont inactivé certains gènes bactériens sans apporter d'autres changements à E. coli.

"Nous avons utilisé ici un éditeur de base comme une sorte d'interrupteur marche-arrêt programmable pour les gènes dans E. coli. En utilisant un système comme celui-ci, nous pouvons apporter des modifications très précises d'une seule lettre au génome sans la rupture de l'ADN double brin généralement associée au ciblage CRISPR-Cas », a déclaré Matthew Nethery, ancien doctorant de l'État de Caroline du Nord. étudiant et auteur principal de l’étude.

Enfin, les chercheurs ont démontré l’édition sur site grâce à l’utilisation d’un écosystème fabriqué (EcoFAB) chargé d’un milieu de sol synthétique composé de sable et de quartz, ainsi que de liquide, pour imiter un environnement de sol. Les chercheurs ont également inclus trois types différents de bactéries pour tester si le phage pouvait localiser spécifiquement E. coli dans le système.

"Dans un laboratoire, les scientifiques peuvent simplifier les choses à l'extrême", a déclaré Barrangou. « Il est préférable de modéliser des environnements, donc plutôt que de la soupe dans un tube à essai, nous avons voulu examiner des environnements réels. »

Les chercheurs ont inséré du lambda dans l’écosystème fabriqué. Il a montré une bonne efficacité dans la recherche E. coli et effectuer les modifications génétiques ciblées.

"Cette technologie va permettre à notre équipe et à d'autres de découvrir la base génétique des interactions bactériennes clés avec les plantes et d'autres microbes dans des environnements de laboratoire hautement contrôlés tels que les EcoFAB", a déclaré Trent Northen, scientifique au Laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie. (Berkeley Lab) qui collabore avec Barrangou.

« Nous voyons cela comme un mécanisme pour aider le microbiome. Nous pouvons modifier une bactérie particulière et le reste du microbiome reste indemne », a déclaré Barrangou. « Il s’agit d’une preuve de concept qui pourrait être utilisée dans n’importe quelle communauté microbienne complexe, ce qui pourrait se traduire par une meilleure santé des plantes et du tractus gastro-intestinal – des environnements importants pour l’alimentation et la santé.

"En fin de compte, cette étude représente le prochain chapitre de la fourniture de CRISPR : utiliser des virus pour fournir des machines CRISPR dans un environnement complexe."

Les chercheurs prévoient de poursuivre ces travaux en testant la technique du phage CRISPR avec d’autres bactéries associées au sol. Surtout, cela illustre comment les communautés microbiennes du sol peuvent être manipulées pour contrôler la composition et la fonction des bactéries associées aux plantes dans des écosystèmes fabriqués afin de comprendre comment améliorer la croissance des plantes et promouvoir leur santé, ce qui présente un grand intérêt pour l'agriculture durable.

Le financement a été fourni par l'analyse de la communauté microbienne et l'évaluation fonctionnelle des sols de m-CAFE, un domaine d'intérêt scientifique dirigé par le laboratoire national Lawrence Berkeley et soutenu par le ministère américain de l'Énergie dans le cadre du contrat n° 02-05. DE-AC11231-XNUMXCHXNUMX, grâce à des efforts de collaboration incluant l'UC Berkeley et l'Innovative Genomics Institute. Les co-auteurs de l'article comprennent Nethery, l'ancien chercheur postdoctoral de NC State Claudio Hidalgo-Cantabrana et l'étudiant diplômé de NC State Avery Roberts.

(C) NCSU