Des chercheurs, dirigés par des experts de l’Imperial College de Londres, ont mis au point une nouvelle méthode qui permet de modifier avec précision l’expression des gènes en fournissant et en supprimant des électrons.
Cela pourrait aider à contrôler les implants biomédicaux dans le corps ou les réactions dans les grands « bioréacteurs » qui produisent des médicaments et d’autres composés utiles. Les stimuli actuels utilisés pour initier de telles réactions sont souvent incapables de pénétrer dans les matériaux ou présentent un risque de toxicité – l’électricité retient la solution.
L’expression génique est le processus par lequel les gènes sont « activés » pour produire de nouvelles molécules et d’autres effets en aval dans les cellules. Dans les organismes, il est régulé par des régions de l’ADN appelées promoteurs. Certains promoteurs, appelés promoteurs inductibles, peuvent répondre à différents stimuli, tels que la lumière, les produits chimiques et la température.
L’utilisation de l’électricité pour contrôler l’expression des gènes a ouvert un nouveau champ de recherche et bien que de tels systèmes électrogénétiques aient été précédemment identifiés, ils manquaient de précision en présence ou en l’absence de signaux électriques, limitant leurs applications. Le système nouvellement proposé, avec des promoteurs conçus, permet d’obtenir une telle précision pour la première fois en utilisant un stimulus électrique chez les bactéries.
La recherche est publiée aujourd’hui dans Avancées scientifiques.
Le co-auteur principal Joshua Lawrence a déclaré: « Un problème majeur en biologie synthétique est qu’il est difficile de contrôler les systèmes biologiques de la même manière que nous contrôlons les systèmes artificiels. Si nous voulons qu’une cellule produise un produit chimique spécifique à un certain moment, nous pouvons Il ne suffit pas de modifier un paramètre sur un ordinateur, nous devons ajouter un produit chimique ou modifier les conditions d’éclairage.
« Les outils que nous avons créés dans le cadre de ce projet permettront aux chercheurs de contrôler l’expression des gènes et le comportement des cellules avec des signaux électriques à la place sans aucune perte de performance.
« Nous espérons qu’en développant davantage ces outils, nous serons vraiment en mesure de contrôler les systèmes biologiques d’une simple pression sur un interrupteur. »
Dans cette recherche, le PsoxLe promoteur S a été repensé pour répondre plus fortement aux stimuli électriques, fournis par la délivrance d’électrons. Le nouveau PsoxLes promoteurs S étaient capables non seulement d’activer l’expression des gènes mais aussi de la réprimer.
L’expression génique stimulée électriquement a jusqu’à présent été difficile à réaliser en présence d’oxygène, ce qui limite son utilisation dans des applications réelles. La nouvelle méthode est viable en présence d’oxygène, ce qui signifie qu’elle peut être reproduite sur différentes espèces de bactéries et utilisée dans des applications telles que les implants médicaux et les processus bioindustriels. Les outils électrochimiques peuvent être ajustés pour différentes tâches en les réglant à un niveau spécifique, via un changement de potentiel d’électrode.
Les implants biomédicaux utilisent souvent un stimulus pour produire un certain médicament ou une hormone dans le corps. Tous les stimuli ne conviennent pas ; la lumière est incapable de pénétrer dans le corps humain et l’ingestion de produits chimiques peut entraîner une toxicité. Des stimuli électriques peuvent être administrés via des électrodes, donnant une livraison directe et sûre.
Pour les grands bioréacteurs (parfois de la taille d’un bâtiment), qui produisent des produits chimiques, des médicaments ou des carburants, le grand volume de culture peut être difficile à pénétrer avec de la lumière et coûteux à alimenter avec des inducteurs chimiques, donc la livraison d’électrons fournit une solution.
Pour leur étude de preuve de concept, les chercheurs ont pris la protéine « incandescente » de la méduse et ont utilisé le nouveau promoteur et les électrons pour induire son expression dans les bactéries, faisant briller les cellules uniquement lorsque le système était « activé ». Dans une configuration différente du système, les chercheurs ont créé une bactérie qui brillait lorsque le système était « éteint » et arrêtait de briller lorsque le système était « allumé ».
Le Dr Rodrigo Ledesma Amaro, maître de conférences à l’Imperial College de Londres et chef du groupe de recherche RLAlab, a déclaré : « Le projet est né d’une idée de ciel bleu lors d’un concours d’étudiants en biologie synthétique.
« Grâce à un dévouement inébranlable, des années de travail et un excellent travail d’équipe, cette idée initiale est devenue réalité et nous disposons maintenant d’une variété de nouvelles technologies pour utiliser l’électricité afin de contrôler le sort des cellules. »
L’équipe prévoit maintenant de développer différents promoteurs qui agiront pour induire différents facteurs en aval, afin que des signaux électriques simultanés puissent exprimer différents gènes, indépendamment les uns des autres. Construire une plus grande bibliothèque de promoteurs et de facteurs en aval signifie que le système actuel peut être adapté pour une utilisation dans la levure, les plantes et les animaux.
Le Dr Ledesma-Amaro, du Département de bio-ingénierie de l’Impérial, a supervisé les recherches menées par Joshua Lawrence, actuellement à l’Université de Cambridge et Yutong Yin, actuellement à l’Université d’Oxford. La recherche est le résultat d’une collaboration plus large d’experts des départements de chimie, des sciences de la vie et de bio-ingénierie de l’Imperial, de l’Imperial College Translation & Innovation Hub, de l’Université de Cambridge et de l’Université de Milan.
Joshua M. Lawrence et al, Biologie synthétique et outils bioélectrochimiques pour l’ingénierie des systèmes électrogénétiques, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abm5091. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm5091