Les vidéos personnelles de l’enfance peuvent être réconfortantes, hilarantes ou carrément embarrassantes. Mais les cassettes contiennent une ressource inestimable : des extraits du parcours d’un enfant alors qu’il apprend à naviguer dans le monde. Bien sûr, les photos peuvent également capturer un premier anniversaire ou une première chute de vélo, mais plutôt qu'un film, ce sont des instantanés uniques dans le temps.
Les scientifiques cherchent depuis longtemps à intégrer des « caméscopes » à ADN dans les cellules pour capturer leur histoire. Comme les enfants, les cellules grandissent, se diversifient et mûrissent au fur et à mesure qu’elles interagissent avec l’environnement. Ces changements sont intégrés dans l’activité génétique d’une cellule, et en les reconstruisant au fil du temps, les scientifiques peuvent déduire l’état actuel d’une cellule : par exemple, devient-elle cancéreuse ?
La technologie « approfondirait les connaissances sur la biologie du développement et du cancer, qui pourraient être traduites en stratégies thérapeutiques ». a affirmé Valérie Plante. Dr Nozomu Yachie et collègues de l'Université de la Colombie-Britannique.
Le problème? Le processus d’enregistrement ne comprenait jusqu’à présent que des instantanés uniques et a détruit la cellule, rendant impossible le suivi de sa croissance.
Maintenant, une équipe dirigée par le Dr Seth Shipman de l'UCSF Gladstone Institute conçu un enregistreur biologique– surnommé Retro-Cascorder – qui, comme un caméscope de la vieille école, peut capturer l’historique de l’expression génétique d’une cellule sur une « bande » d’ADN pendant des jours à la fois. Grâce à CRISPR, ces « bandes » sont ensuite intégrées au génome de la cellule, qui peut être lu ultérieurement.
Les données résultantes ne sont pas exactement Les vidéos les plus drôles de l'Amérique. Il s’agit plutôt d’un registre qui documente plusieurs signaux biologiques et les stocke soigneusement par ordre chronologique.
« Cette nouvelle façon de collecter des données moléculaires nous ouvre une fenêtre sans précédent sur les cellules. » a affirmé Valérie Plante. Navigateur. En plus d'écouter l'histoire du développement d'une cellule (par exemple, comment elle s'est diversifiée à partir d'une cellule souche commune), l'ajout de Retro-Cascorder pourrait transformer les cellules normales en biocapteurs vivants qui surveillent la pollution, les virus ou d'autres contaminants, tout en testant la capacité de l'ADN à un périphérique de stockage de données fiable.
L'essor des bandes ADN
Pourquoi suivre l’historique d’une cellule ?
Imaginez une cellule comme un enfant. À partir d’un œuf fécondé, il grandit, change d’apparence extérieure – en cellule cutanée ou en neurone, par exemple – et, en tant que cellules reproductrices, transmet des informations génétiques à ses enfants. Le parcours d’une cellule à travers la vie n’est pas uniquement déterminé par sa génétique. La manière dont ses instructions génétiques sont exécutées dépend des interactions avec ses voisines cellulaires et le monde extérieur : régime alimentaire, exercice, stress et tout ce que son hôte humain expérimente.
Ces invites naturelles et culturelles déclenchent l’activation d’une cellule par un certain modèle de gènes – un processus appelé expression génique. Toutes nos cellules hébergent le même ensemble de gènes ; ce qui les différencie, c'est ceux qui sont activés ou désactivés. L’expression des gènes est extrêmement puissante : elle peut modifier l’identité, la fonction et, à terme, les processus biologiques qui régissent la vie.
Ce serait formidable d’avoir un aperçu de leur fonctionnement interne.
Une solution est l’approche instantanée. En utilisant les technologies « omiques », c’est-à-dire l’analyse simultanée de millions de cellules pour l’expression des gènes, le métabolisme ou d’autres états, nous pouvons obtenir un instantané haute résolution d’un groupe de cellules à un moment donné. Bien que puissant, le processus détruit l’échantillon. La raison en est que la lecture des informations sur l’expression des gènes stockées dans les cellules, une méthode appelée RNAseq, nécessite de décomposer l’enveloppe grasse et pétillante de la cellule pour accéder aux molécules et les extraire. Imaginez pointer le télescope James Webb vers n'importe quel point de l'espace, sachant que le télescope effacera tout ce qu'il voit – ouais, pas génial.
Les bandes ADN adoptent une approche différente. À la manière d’un éditeur vidéo, ils « marquent » les événements d’une cellule avec un code-barres composé de lettres d’ADN, un peu comme un horodatage. Shipman n’est pas étranger à l’utilisation de l’ADN comme périphérique de stockage. En 2017, en collaboration avec le biologiste synthétique Dr George Church de Harvard et son équipe, ils/elles ont codé un film numérique sur le génome des bactéries vivantes utilisant CRISPR.
Un journal ADN
La nouvelle étude avait un objectif relativement simple : comme une caméra déclenchée par le mouvement, commencer à enregistrer chaque fois qu'un gène particulier s'active.
Pour concevoir Retro-Cascorder, l’équipe s’est tournée vers un élément génétique énigmatique, les rétrons. Ce sont de petits morceaux d’ADN bactérien qui ont déconcerté les scientifiques pendant des décennies, avant de se rendre compte qu’ils font partie du système immunitaire d’une bactérie. Retour en 2021, Church, co-auteur de l'étude, a transformé les rétrons à partir d'une étrange bizarrerie bactérienne dans un outil d'édition génétique qui peut examiner des millions de variations de l’ADN et suivre leurs effets en même temps. Surtout, ils ont réalisé que les rétrons pouvaient être utilisés comme balises pour horodater un changement génétique particulier dans le temps.
Ici, l'équipe a commencé par concevoir des rétrons pour produire des étiquettes ADN spécifiques, comme l'impression d'une série de codes-barres pour marquer les emballages. Les étiquettes sont liées à des promoteurs d’ADN qui, comme un feu de signalisation, donnent à la cellule le feu vert pour activer un gène.
Une fois qu'un gène s'active, le rétron génère automatiquement un code-barres unique qui certifie son activité. Il s’agit d’un processus en plusieurs étapes : l’étiquette, initialement codée dans l’ADN, est d’abord transcrite en ARN par la cellule, puis réécrite en « reçus » d’ADN par les rétrons.
Pensez à une caisse enregistreuse de restaurant. Cela équivaut à imprimer une commande, à une certaine heure, avec un seul reçu.
Après avoir vérifié que la technologie fonctionne comme prévu, l’équipe s’est ensuite tournée vers la création de « films » d’une cellule à l’aide de balises basées sur les rétrons. Il ne s’agit pas d’une vidéo au sens traditionnel du terme : l’équipe a quand même dû analyser les codes-barres à la fin d’une session d’enregistrement – environ 24 heures – pour la lecture, ce qui détruit les cellules.
Garder une trace des changements d’expression génique en un seul instant est relativement simple. Suivre les mêmes changements tout au long d’une journée est beaucoup plus difficile. Pour créer une sorte de « mémoire » pour l’enregistreur, l’équipe s’est tournée vers CRISPR-Cas. Ici, les tableaux CRISPR font office de journal, tandis que les rétrons font office d'entrées quotidiennes. Les reçus ADN, générés par les rétrons, sont incorporés dans une matrice CRISPR. Comme les cassettes, elles contiennent des données suivies d'espaceurs, comme un écran noir, pour aider à séparer les événements. Au fur et à mesure que de nouvelles informations sont ajoutées, les espaceurs précédents s'éloignent de l'entrée la plus proche, ce qui permet de déchiffrer une chronologie des événements.
Les cellules capables d’utiliser CRISPR pour écrire des données génétiques « peuvent progressivement enregistrer des événements cellulaires… sur des bandes d’ADN », a déclaré Yachie.
Dans le cadre d'une validation de principe, l'équipe a introduit Retro-Cascorder dans Escherichia coli (E. Coli), la bactérie préférée du laboratoire, grâce au génie génétique. L'incorporation de la nouvelle construction a été un jeu d'enfant pour le virus et un bon signe pour les scientifiques, car elle suggère peu de stress ou de toxicité pour les cellules.
Ils ont ensuite activé l’un ou les deux promoteurs d’ADN à l’aide de produits chimiques, comme en cliquant sur « enregistrer » sur un Walkman. Pendant 48 heures, le système a enregistré les changements d’expression génique comme prévu dans la matrice CRISPR. Après avoir approfondi la séquence des matrices CRISPR, c’est-à-dire les avoir relues par la suite, ils ont constaté que l’histoire de la cellule progressait comme prévu.
Une histoire entière de vous
La nouvelle bande ADN, c’est comme enregistrer de petits extraits d’un film à travers le temps. Mais c’est bizarrement édité. Bien que le Retro-Cascorder puisse déterminer la séquence d’activations des gènes, il ne peut pas déterminer le délai entre deux événements adjacents. Comme dans une vidéo personnelle, un extrait d'une répétition de danse suivie d'un dîner peut avoir lieu le même jour ; ou à des années d'intervalle.
Mais par rapport aux tentatives précédentes, la bande constitue un saut technologique, avec de meilleurs signaux, une durée d’enregistrement plus longue et une meilleure lecture.
"Ce n'est pas encore un système parfait, mais nous pensons qu'il sera encore meilleur que les méthodes existantes, qui ne permettent de mesurer qu'un événement à la fois", a déclaré Shipman.
La course au documentariste mobile parfait est lancée, et la plupart ont CRISPR en leur centre. Pour Yachie, une solution consiste à remplacer le bon vieux CRISPR par éditeurs de base or Premier CRISPR, qui causent tous deux moins de dommages au génome de la cellule. Le « magnétoscope » biologique, qui relit l’expression enregistrée d’un gène, a également besoin d’une mise à niveau, potentiellement alimentée par de meilleures prouesses informatiques.
Une fois perfectionnés, les enregistreurs d’ADN pourraient nous aider à suivre la trajectoire de développement des mini-cerveaux et d’autres organoïdes, à étudier les cellules cancéreuses à mesure qu’elles évoluent, à surveiller les polluants environnementaux dans les cellules, le tout sans mettre des vies en danger.
Crédit image: Immo Wegmann / Unsplash
