Les métabolites secondaires microbiens, ces molécules non essentielles à la croissance mais essentielles à la survie, peuvent désormais être plus faciles à caractériser à la suite d’une étude de preuve de concept dans laquelle les chercheurs ont associé les technologies CRISPR et CRAGE.
Alors que CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) est le principal outil pour éditer avec précision les génomes, son efficacité a toujours été limitée en raison du manque d’outils robustes disponibles pour transporter CRISPR dans les micro-organismes. CRAGE (Chassis-independent Recombinase-Assisted Genome Engineering) est une technique que les chercheurs peuvent utiliser pour intégrer de grandes charges utiles génétiques directement dans divers microbes.
La combinaison de CRAGE avec CRISPR fournit aux chercheurs un ajout puissant à leur boîte à outils pour étudier la fonction des gènes. À titre de démonstration, les chercheurs ont utilisé CRAGE-CRISPR pour découvrir des métabolites secondaires actifs et les aider à identifier et décrire les fonctions des grappes de gènes biosynthétiques qui les produisent.
Les métabolites secondaires sont des composés microbiens produits en réponse à des difficultés ou à une compétition. Ils constituent la base d’une multitude de produits vitaux dans la biotechnologie, la médecine, l’agriculture et d’autres industries, mais il y a encore tellement de choses à leur sujet que nous ne savons pas.
Libérer la puissance des métabolites secondaires peut être compliqué car les BGC qui les produisent ne peuvent pas être activés dans des environnements de laboratoire. CRAGE a fait des progrès pour surmonter cet obstacle lorsqu’il est entré en scène en 2019. Maintenant, ce pouvoir est sur le point de croître de façon exponentielle en le combinant avec CRISPR.
En employant CRAGE, les chercheurs ne sont plus limités à l’utilisation de microbes hôtes modèles ; théoriquement, n’importe quel microbe peut servir d’usine pour produire des composés chimiques d’intérêt. En utilisant CRAGE pour domestiquer les microbes cibles, les utilisateurs de JGI peuvent ensuite utiliser CRISPR dans une variété d’hôtes microbiens.
Photorhabdus luminescens s’avère mortel pour les insectes. Il est transporté par un nématode infectieux et libère des toxines dans la circulation sanguine de l’insecte qui tuent rapidement l’hôte. Comprendre exactement comment fonctionnent P. luminescens et ses métabolites secondaires pourrait fournir de nouveaux outils de lutte antiparasitaire.
Les métabolites secondaires sont fortement régulés chez les bactéries, ce qui rend difficile l’identification de quelle voie correspond à quel métabolite. Trouver un véhicule par lequel introduire CRISPR dans le microbe est essentiel, car il permet aux chercheurs de supprimer ou d’activer certains gènes et d’évaluer comment ces modifications affectent la fonctionnalité.
CRAGE permet la transplantation de ces BGC d’un organisme à un autre hôte via une plate-forme d’atterrissage constituée d’un gène cre recombinase et de sites lox mutuellement exclusifs. En fin de compte, ce processus permet aux chercheurs d’identifier des souches capables de produire des métabolites secondaires dans un environnement de laboratoire, faisant la lumière sur cette « matière noire biologique ».
Il offre également à CRISPR un point d’entrée. En utilisant CRISPR pour désactiver ou activer des gènes, les chercheurs du JGI ont pu surveiller la perte et le gain de fonction. Les données analytiques de l’étude montrent des pics et des creux dans les métabolites secondaires lorsque les gènes sont modifiés. Avec l’aide de CRAGE, l’appariement s’est avéré confirmer rapidement la production accrue de 22 métabolites à partir de six groupes de gènes biosynthétiques. L’un d’entre eux était un métabolite d’un groupe de gènes biosynthétiques non caractérisé auparavant. Ce travail des chercheurs du JGI a été publié en avril 2022 dans Biologie Chimique Cellulaire.
En ce qui concerne spécifiquement le tueur d’insectes P. luminescens, la compréhension de ses métabolites secondaires et de leurs voies pourrait alimenter d’autres applications agricoles pour la lutte antiparasitaire et comprendre comment l’agent pathogène utilise les insectes comme carburant.
L’impact de l’appariement pourrait s’avérer beaucoup plus important. La compatibilité de CRAGE et CRISPR pourrait potentiellement permettre d’introduire CRISPR dans d’autres bactéries, améliorant ainsi la compréhension de la communauté scientifique sur la façon dont les métabolites secondaires sont produits et comment tirer parti de leurs pouvoirs dans l’agriculture, les produits pharmaceutiques, les biocarburants et au-delà.
Jing Ke et al, CRAGE-CRISPR facilite l’activation rapide des grappes de gènes biosynthétiques de métabolites secondaires dans les bactéries, Biologie Chimique Cellulaire (2021). DOI : 10.1016/j.chembiol.2021.08.009