CRISPR, la technologie d’édition de gènes lauréate du prix Nobel, est une fois de plus sur le point d’avoir un impact profond sur les domaines de la microbiologie et de la médecine.
Une équipe dirigée par la pionnière de CRISPR Jennifer Doudna et sa collaboratrice de longue date Jill Banfield ont développé un outil intelligent pour éditer les génomes de bactéries qui infectent des bactéries appelées bactériophages en utilisant des formes CRISPR rares. La capacité de concevoir facilement un phage – qui a longtemps échappé à la communauté des chercheurs – pourrait aider les chercheurs à contrôler les microbiomes sans antibiotiques ni produits chimiques agressifs, et à traiter les infections résistantes aux médicaments. Une description de poste a été publiée récemment Microbiologie naturelle.
“Les bactériophages sont parmi les organismes les plus abondants et les plus diversifiés sur Terre. Contrairement aux étapes précédentes, cette stratégie de réparation est contre différentes tailles de bactériophages », a déclaré le premier auteur Benjamin Adler, chercheur postdoctoral au laboratoire Doudna. « Il existe de nombreuses méthodes intéressantes ici – la découverte est à portée de main !
Les bactériophages, simplement appelés phages, insèrent du matériel génétique dans les cellules bactériennes à l’aide d’un dispositif semblable à une seringue, puis détournent leur machinerie de production de protéines pour se reproduire, tuant souvent les bactéries au cours du processus. (Il est inoffensif pour les autres organismes, y compris nous, les humains, bien que les images de microscopie électronique aient montré qu’il ressemble à un méchant vaisseau extraterrestre.)
CRISPR-Cas est un type de système immunitaire que de nombreuses bactéries et archées utilisent pour combattre les phages. Un système CRISPR-Cas se compose de courts extraits d’ARN qui sont complémentaires aux séquences de gènes de phage, permettant au virus de savoir quand un virus génétique a été inséré, et d’enzymes en forme de ciseaux qui transforment les gènes de phage en fragments inoffensifs, après avoir été dirigés. à la place de l’ARN.
Au cours des millénaires, la bataille évolutive sans fin entre l’attaque des phages et la défense bactérienne a forcé les phages à évoluer. Il existe de nombreux microbes, il existe donc également de nombreux phages, chacun avec une conception unique. Ces différences extraordinaires ont rendu difficile la modification des phages, notamment en les rendant résistants à de nombreuses formes de CRISPR, c’est pourquoi le système le plus utilisé – CRISPR-Cas9 – ne fonctionne pas pour cette application.
“Les phages ont de nombreuses façons d’échapper aux défenses, de l’anti-CRISPR à la simple modification de leur ADN”, a déclaré Adler. “Donc, d’une certaine manière, les modifications apportées aux génomes des phages qui les rendent capables d’infecter les virus sont exactement la raison pour laquelle il a été si difficile de développer un outil viable pour modifier leurs génomes.”
Les chefs de projet Doudna et Banfield ont développé ensemble de nombreux outils basés sur CRISPR depuis qu’ils ont commencé à collaborer sur la première recherche CRISPR en 2008. Ce travail – réalisé au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) – a été mentionné par le comité du prix Nobel lorsque Doudna . et l’une de ses assistantes, Emmanuelle Charpentier, ont reçu le prix en 2020. L’équipe de chercheurs de Doudna et Banfield du Berkeley Lab et de l’UC Berkeley étudiait un type rare de CRISPR appelé CRISPR -Cas13 (dérivé de bactéries couramment présentes dans la bouche humaine ) lorsqu’ils ont découvert que cette version du système de défense fonctionne contre différents types de phages.
La puissance de lutte contre les phages de CRISPR-Cas13 était inattendue étant donné le peu de microbes qui l’utilisent, a expliqué Adler. Les scientifiques ont été doublement surpris car les phages qu’ils ont testés infectent tous à l’aide d’ADN double brin, mais le système CRISPR-Cas13 ne cible et ne coupe que l’ARN viral. Comme d’autres types de virus, certains phages ont des génomes à base d’ADN et d’autres ont des génomes à base d’ARN. Cependant, tous les virus connus utilisent l’ARN pour exprimer leurs gènes. Le système CRISPR-Cas13 a neutralisé efficacement neuf phages à ADN différents qui infectent tous les débris de. E. coli, mais ils ne sont pas identiques entre leurs génomes.
Selon le co-auteur et expert de la page Vivek Mutalik, un scientifique du domaine Bioscience du laboratoire de Berkeley, ce résultat montre que le système CRISPR peut protéger contre différents phages à base d’ADN en ciblant leur ARN après qu’il a été changé de . L’ADN et la bactérie elle-même. enzymes avant la traduction des protéines.
Ensuite, l’équipe a montré que le système pouvait être utilisé pour modifier les génomes des phages au lieu de simplement les couper de manière défensive.
Tout d’abord, ils ont créé des segments d’ADN composés de la séquence de phage qu’ils voulaient cloner, l’ont entouré des séquences de phage correspondantes et l’ont inséré dans le phage bactérien cible. Lorsque les phages infectaient un virus avec de l’ADN, un petit nombre de cellules reproductrices à l’intérieur du virus captaient l’ADN modifié et l’inséraient dans leurs génomes au lieu de la séquence d’origine. Cette étape est un processus à long terme de production d’ADN appelé recombinaison homologue. Un problème vieux de plusieurs décennies dans la recherche sur les phages est que même cette étape, en particulier l’édition du génome des phages, fonctionne bien, isoler et répliquer les phages avec des séquences programmées à partir d’un grand pool de phages communs est délicat.
C’est là qu’intervient CRISPR-Cas13. Dans une deuxième étape, les scientifiques ont conçu un type différent de virus phage pour avoir un système CRISPR-Cas13 qui reconnaît et protège contre la séquence normale du génome du phage. Lorsque les premiers stades des phages produits ont été montrés aux hôtes de deuxième tour, les phages avec la séquence d’origine ont été vaincus par le système de défense CRISPR, mais un petit nombre de parties modifiées ont pu s’échapper. Ils vivaient et se reproduisaient.
Trois tests sans rapport E. coli les phages ont montré un développement surprenant : plus de 99 % des phages produits en deux étapes présentaient des modifications, allant de grandes délétions multigéniques à des substitutions d’acides aminés uniques.
“À mon avis, le travail sur l’ingénierie des phages est l’une des plus grandes étapes de la biologie des phages”, a déclaré Mutalik. “Alors que les pages affectent l’infection bactérienne, l’évolution, la dynamique des populations et l’infection, l’ingénierie non linéaire des bactéries et de leurs phages a des implications pour la science fondamentale, mais elle a également le potentiel de faire une réelle différence dans tous les secteurs de la bioéconomie. En plus de la santé humaine, cette ingénierie des phages peut affecter tout, de la biofabrication et de l’agriculture à la production alimentaire. »
Forts de leurs premiers résultats, les scientifiques travaillent désormais à étendre le système CRISPR à d’autres types de phages, à commencer par ceux qui affectent les environnements du sol. Ils l’utilisent également comme un outil pour explorer les secrets génétiques dans les génomes des phages. Qui sait quels autres outils et technologies étonnants pourraient être inspirés par le butin de la guerre invisible entre bactéries et virus ?
Cette recherche a été financée par le domaine d’intérêt scientifique du Département d’analyse des communautés d’énergie microbienne et d’évaluation fonctionnelle des sols (m-CAFES). Jill Banfield est professeur de sciences de la Terre et des planètes et de sciences, politiques et gestion de l’environnement à l’UC Berkeley, ainsi que professeur de sciences dans le domaine des biosciences du laboratoire de Berkeley et associé dans le domaine des sciences de la vie. Jennifer Doudna est professeure dans les départements de biologie moléculaire et cellulaire et de chimie à l’UC Berkeley et chercheuse en biosciences au laboratoire de Berkeley.
