Les scientifiques du Laboratoire national d’Oak Ridge ont eu du mal à cartographier les génomes des bactéries pour mieux comprendre l’origine de leurs traits physiques et améliorer leur fonction de production de bioénergie. La méthode qu’ils avaient utilisée avec succès pour la cartographie génétique des matières premières végétales pour les biocarburants reposait sur la création puis l’analyse de diverses variantes sexuellement recombinées, tandis que les bactéries se reproduisaient généralement de manière asexuée avec une diversité limitée.
« Les bactéries ne se reproduisent pas de la manière dont nous avions besoin. Elles se reproduisent généralement par division, où vous passez d’une cellule mère à deux cellules filles qui ont essentiellement le même génome que le parent », a déclaré Josh Michener, chef de projet à la division des biosciences de l’ORNL.
La solution est venue d’un outil de recherche génétique développé pour la première fois dans les années 1970 : la fusion de protoplastes. Les scientifiques ont pu croiser des souches de Bacillus en utilisant cette technique et ont produit une grande population d’organismes génétiquement disparates, ce qui se traduira par une meilleure compréhension de la variation génomique et des caractéristiques physiques qui en résultent.
La fusion de protoplastes est une méthode de génie génétique classique dans laquelle les cellules sont dépouillées de leur couche externe et fusionnées chimiquement, permettant la recombinaison entre les chromosomes des parents. Alors que les chercheurs ont utilisé la technique pendant des décennies, d’abord comme technique génétique de routine, puis comme outil pour concevoir des traits tels que la production d’antibiotiques dans les micro-organismes, les réarrangements chromosomiques sous-jacents étaient mal compris.
« Lorsque les scientifiques ont utilisé cette technique de fusion de protoplastes dans le passé, ils ne savaient pas vraiment à quoi ressemblaient les génomes de la progéniture en raison des limitations techniques de l’époque », a déclaré Michener. « Nous avons pu relancer la technique et la rendre plus simple. Nous avons essentiellement bénéficié de 50 ans de développements dans le domaine pour pouvoir faire ce genre de croisement et ensuite examiner des dizaines à des centaines de descendants. »
Les chercheurs ont utilisé des méthodes informatiques pour analyser les génomes de la progéniture résultante et les cartographier jusqu’à leurs parents. « Nous pourrions dire que ce petit extrait d’ADN dans le génome provient du parent A, puis un autre petit extrait du parent B, et ainsi de suite », a déclaré Michener.
Ils ont trouvé une recombinaison dans tout le génome à travers une variété d’échelles de longueur, comme indiqué dans Recherche sur les acides nucléiques. « Nous avions à la fois de petits et de gros morceaux d’ADN échangés, et le processus semblait être principalement aléatoire. Ce sont exactement les caractéristiques que nous voulions permettre à la cartographie génétique. »
L’équipe a depuis entrepris un total de quatre cycles de recombinaison, aboutissant à quelque 500 descendants entièrement séquencés et hautement mélangés. Une équipe de biologie des systèmes informatiques dirigée par Dan Jacobson de l’ORNL déploie des méthodes d’apprentissage automatique pour accélérer le phénotypage et la cartographie sur des panels de bactéries afin d’identifier les liens entre les traits physiques souhaités et leurs fondements génétiques.
Le résultat est une nouvelle capacité de cartographie des traits microbiens qui pourrait accélérer la conception de microbes qui sont, par exemple, plus aptes à décomposer la biomasse végétale pour la production de biocarburants propres.
« L’un des enseignements du projet est qu’il y a énormément d’informations utiles dans la littérature ancienne », a déclaré Michener. « Parfois, il ne s’agit pas uniquement de l’approche la plus récente et la plus élégante. »
La découverte ajoute aux atouts fondamentaux de la cartographie génétique pour lesquels le Centre d’innovation en bioénergie de l’ORNL est connu, a ajouté Michener. Les autres membres de l’équipe de recherche étaient Delyana Vasileva, Jared Streich, Leah Burdick, Dawn Klingeman, Hari Chhetri, Christa Brelsford, Chris Ellis et Dan Close.
Delyana P Vasileva et al, la fusion de protoplastes chez les espèces de Bacillus produit une recombinaison homologue fréquente, impartiale et à l’échelle du génome, Recherche sur les acides nucléiques (2022). DOI : 10.1093/nar/gkac025