Une nouvelle étude de l’Université de Tel Aviv révèle comment les mécanismes de défense bactérienne peuvent être neutralisés, permettant ainsi un transfert efficace de matériel génétique entre bactéries. Les chercheurs pensent que cette découverte pourrait ouvrir la voie au développement d’outils permettant de résoudre la crise de la résistance aux antibiotiques et de promouvoir des méthodes de manipulation génétique plus efficaces à des fins médicales, industrielles et environnementales.
L’étude a été dirigée par un doctorat. Bruria Samuel, étudiante du laboratoire du professeur David Burstein à l’École Shmunis de biomédecine et de recherche sur le cancer de la Faculté Wise des sciences de la vie de l’Université de Tel Aviv. Parmi les autres contributeurs à la recherche figurent le Dr Karin Mittelman, Shirly Croitoru et Maya Ben-Haim du laboratoire du professeur Burstein. Les conclusions ont été publié dans la revue Nature.
Les chercheurs expliquent que la diversité génétique est essentielle à la survie et à l’adaptation des différentes espèces en réponse aux changements environnementaux. Pour les humains et de nombreux autres organismes, la reproduction sexuée est le principal moteur de la diversité génétique nécessaire à la survie. Cependant, les bactéries et autres micro-organismes ne disposent pas d’un tel mécanisme de reproduction.
Néanmoins, comme le démontre la vitesse alarmante à laquelle la résistance aux antibiotiques se propage parmi les populations bactériennes, les bactéries disposent de mécanismes alternatifs pour maintenir la diversité génétique nécessaire à la survie, notamment le transfert direct d’ADN entre bactéries.
Le transfert d’ADN entre bactéries joue un rôle crucial dans leur survie. Pourtant, un aspect clé de ce processus reste sous-exploré : comment l’échange de matériel génétique est-il si répandu alors que les bactéries disposent d’un large éventail de mécanismes de défense conçus pour détruire tout matériel génétique étranger pénétrant dans leurs cellules ?
La nouvelle recherche se concentre sur un processus appelé « conjugaison », l’un des principaux mécanismes de transfert d’ADN d’une bactérie à une autre. Lors de la conjugaison, une cellule bactérienne se connecte directement à une autre via un minuscule tube qui permet le transfert de fragments de matériel génétique appelés plasmides.
Le professeur Burstein explique : « Les plasmides sont de petites molécules d’ADN circulaires double brin classées comme « éléments génétiques mobiles ». Comme les virus, les plasmides se déplacent d’une cellule à une autre, mais contrairement aux virus, ils n’ont pas besoin de tuer la bactérie hôte pour achever le transfert. »
Dans le cadre de l’échange naturel, les plasmides confèrent souvent aux bactéries réceptrices des avantages génétiques. Par exemple, de nombreux gènes de résistance aux antibiotiques se propagent par transfert de plasmide entre bactéries. Cependant, les bactéries disposent également de nombreux mécanismes de défense visant à éliminer tout ADN étranger pénétrant dans leurs cellules.
« La conjugaison est un processus bien connu que les scientifiques utilisent également en laboratoire pour transférer des gènes entre bactéries. On sait également que les bactéries possèdent des mécanismes pour détruire l’ADN étranger, y compris l’ADN plasmidique, et certains de ces mécanismes sont même utilisés à diverses fins de recherche. Cependant, jusqu’à présent, personne n’a pleinement exploré comment les plasmides surmontent ces mécanismes de défense », explique le professeur Burstein.
Samuel explique qu’elle a commencé la recherche en effectuant une analyse informatique de 33 000 plasmides et en identifiant les gènes associés aux systèmes « anti-défense » qui aident les plasmides à contourner les mécanismes de défense bactériens.
Ce qui était encore plus intéressant était la localisation de ces gènes. Comme mentionné, les plasmides sont des segments d’ADN circulaires double brin. Afin de traverser le mince tube qui relie les bactéries, l’un de ces brins circulaires est coupé à un certain point par une protéine, qui se lie ensuite au brin clivé et initie son transfert vers la cellule réceptrice.
« Les gènes des systèmes anti-défense que j’ai identifiés se sont avérés concentrés à proximité de ce point de coupure et organisés de telle manière qu’ils seraient les premiers gènes à pénétrer dans la nouvelle cellule. Ce positionnement stratégique permet aux gènes d’être activés. immédiatement après le transfert, donnant au plasmide l’avantage nécessaire pour neutraliser les systèmes de défense de la bactérie réceptrice.
Le professeur Burstein raconte comment, lorsque Samuel lui a montré ses résultats pour la première fois, il a eu du mal à croire qu’un tel phénomène n’avait pas été identifié auparavant.
« Bruria a mené une étude approfondie de la littérature et a constaté que personne n’avait fait ce lien auparavant », dit-il. Puisque la découverte a été faite en analysant des bases de données existantes avec des outils informatiques, l’étape suivante consistait à démontrer en laboratoire que ce phénomène se produit effectivement lors du transfert de plasmide entre bactéries.
Samuel explique : « Pour ce faire, nous avons utilisé des plasmides qui confèrent une résistance aux antibiotiques et les avons introduits dans des bactéries équipées de CRISPR, le système de défense bactérien bien connu qui peut cibler et détruire l’ADN, y compris celui des plasmides. Cette méthode nous a permis de tester facilement les conditions dans lesquelles le plasmide pourrait vaincre le système de défense : s’il réussit à vaincre le système CRISPR, la bactérie réceptrice devient résistante aux antibiotiques. S’il échoue, la bactérie meurt. »
En utilisant cette méthode, Samuel a démontré que si les gènes anti-défense sont positionnés près du point d’entrée de l’ADN, le plasmide réussit à surmonter le système CRISPR. Cependant, si ces gènes sont situés ailleurs sur le plasmide, le système CRISPR détruit le plasmide et les bactéries meurent lors de l’exposition aux antibiotiques.
Le professeur Burstein note que comprendre le positionnement des systèmes anti-défense sur les plasmides pourrait permettre l’identification de nouveaux gènes anti-défense, un sujet actuellement en recherche très active.
« De plus, notre étude peut contribuer à concevoir des plasmides plus efficaces pour la manipulation génétique des bactéries dans les processus industriels. Bien que les plasmides soient déjà largement utilisés à ces fins, l’efficacité du transfert génétique basé sur les plasmides dans des conditions de laboratoire est nettement inférieure à celle des plasmides naturels. « , dit-il.
« Une autre application potentielle pourrait impliquer la conception de plasmides efficaces pour la manipulation génétique des populations bactériennes naturelles. Cela pourrait aider à bloquer les gènes de résistance aux antibiotiques dans les populations bactériennes des hôpitaux, apprendre aux bactéries du sol et de l’eau à décomposer les polluants ou à fixer le dioxyde de carbone, et même à manipuler les bactéries intestinales pour les éliminer. améliorer la santé humaine.
Ramot, la société de transfert de technologie de l’Université de Tel Aviv, considère cette découverte comme une avancée biotechnologique importante avec de vastes applications.
Le Dr Ronen Kreizman, PDG de Ramot, déclare : « Tout d’abord, je tiens à féliciter le professeur David Burstein et son équipe de laboratoire pour cette découverte scientifique fascinante. La nouvelle recherche ouvre des possibilités révolutionnaires dans des domaines tels que le développement de médicaments contre les bactéries résistantes, la biologie synthétique. , l’agritech et la foodtech. La capacité de contrôler et d’affiner le transfert de matériel génétique entre bactéries pourrait devenir un outil puissant pour relever les défis environnementaux, agricoles et médicaux. Nous travaillons actuellement à la commercialisation de cette technologie pour réaliser son plein potentiel.
Plus d’informations :
Bruria Samuel et al, Divers systèmes anti-défense sont codés dans la région principale des plasmides, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07994-w