Les bactéries avec fonction d’enregistrement capturent l’état de santé intestinal

Des chercheurs de l’ETH Zurich, de l’Hôpital universitaire de Berne et de l’Université de Berne ont équipé les bactéries intestinales d’une fonctionnalité d’enregistrement de données afin de surveiller les gènes actifs dans les bactéries. Ces micro-organismes pourraient un jour offrir un moyen non invasif de diagnostiquer une maladie ou d’évaluer l’impact d’un régime alimentaire sur la santé.

L’intestin abrite d’innombrables bactéries qui nous aident à digérer les aliments. Mais que font exactement les micro-organismes à l’intérieur du corps ? Quelles enzymes produisent-ils et quand ? Et comment les bactéries métabolisent-elles les aliments bons pour la santé qui nous aident à éviter les maladies ?

Pour obtenir des réponses à ces questions, des chercheurs du Département de science et d’ingénierie des biosystèmes de l’ETH Zurich à Bâle ont modifié des bactéries de manière à ce qu’elles fonctionnent comme des enregistreurs de données pour obtenir des informations sur l’activité des gènes. En collaboration avec des scientifiques de l’Hôpital universitaire de Berne et de l’Université de Berne, ils ont maintenant testé ces bactéries sur des souris. Il s’agit d’une étape importante vers l’utilisation future de bactéries sensorielles en médecine pour des applications telles que le diagnostic de la malnutrition et la compréhension des régimes alimentaires qui conviennent à un individu.

Le système immunitaire devient enregistreur de données

La fonction d’enregistrement de données a été développée au cours des dernières années par des chercheurs dirigés par Randall Platt, professeur de génie biologique à l’ETH Zurich. Pour ce faire, ils ont utilisé le mécanisme CRISPR-Cas, qui est un type de système immunitaire présent naturellement chez de nombreuses espèces bactériennes. Si les bactéries sont attaquées par des virus, elles peuvent incorporer des fragments d’ADN ou d’ARN viral dans une section de leur propre génome appelée matrice CRISPR. Cela permet aux bactéries de « se souvenir » des virus avec lesquels elles ont été en contact, ce qui leur permet de combattre plus rapidement une future attaque virale.

Pour utiliser ce mécanisme comme enregistreur de données, les chercheurs ne se sont pas préoccupés des extraits d’ADN des intrus viraux, mais se sont concentrés sur autre chose : le mécanisme peut être exploité de telle sorte que les bactéries incorporent des extraits de leur propre ARN messager (ARNm). dans le réseau CRISPR. Les molécules d’ARNm sont le modèle que les cellules utilisent pour fabriquer des protéines. En tant que tels, les extraits d’ARNm peuvent révéler quels gènes sont utilisés pour construire des protéines pour exécuter des fonctions cellulaires.

Pour rendre la méthode efficace, les scientifiques ont introduit le réseau CRISPR de l’espèce bactérienne Fusicatenibacter saccharivorans dans une souche de la bactérie intestinale Escherichia coli, considérée comme sûre chez l’homme et disponible en tant que probiotique. Le transfert comprenait le schéma directeur d’une enzyme appelée transcriptase inverse, capable de transcrire l’ARN en ADN. Cette enzyme transcrit également les informations contenues dans l’ARNm sous forme d’ADN, ce qui, avec les protéines associées à CRISPR, est nécessaire pour incorporer l’extrait d’ADN dans le réseau CRISPR.

Obtenir des informations sans déranger le corps

Ensuite, des chercheurs de l’Hôpital universitaire de Berne et de l’Université de Berne, dirigés par Andrew Macpherson, ont administré ces bactéries intestinales modifiées à des souris en laboratoire. Ils ont collecté des échantillons fécaux des animaux et isolé l’ADN bactérien, qu’ils ont ensuite analysé à l’aide d’un séquençage d’ADN à haut débit. Grâce à une évaluation bioinformatique ultérieure, réalisée et évaluée en collaboration, ils ont pu travailler sur la masse de données et reconstruire l’information génétique des extraits d’ARNm. Cela a permis aux scientifiques de déterminer par des moyens non invasifs à quelle fréquence les bactéries intestinales fabriquaient une molécule d’ARNm donnée pendant leur séjour dans le corps, et donc quels gènes sont actifs.

« Cette nouvelle méthode nous permet d’obtenir des informations directement de l’intestin, sans avoir à perturber les fonctions intestinales », explique Andrew Macpherson, professeur et directeur de gastroentérologie à l’hôpital universitaire de Berne. En tant que telle, la méthode présente des avantages majeurs par rapport aux endoscopies, qui peuvent être désagréables pour les patients et impliquent toujours une perturbation de la fonction intestinale, car les intestins doivent être vides pour l’examen.

Détermination du statut alimentaire

« Les bactéries sont très douées pour enregistrer les conditions environnementales et adapter leur métabolisme à de nouvelles circonstances telles que les changements alimentaires », explique Macpherson. Lors d’expériences sur des souris ayant reçu différents aliments, les chercheurs ont pu montrer comment les bactéries adaptaient leur métabolisme à l’apport en nutriments respectif. Un rapport des résultats a été publié dans le dernier numéro de la revue Science.

Les chercheurs aimeraient développer davantage la méthode, afin qu’un jour ils puissent étudier des patients humains pour voir comment le régime alimentaire influence l’écosystème intestinal et comment cela affecte la santé. À l’avenir, ils espèrent utiliser la méthode pour déterminer le statut alimentaire des enfants ou des adultes. Forts de ces informations, les médecins pourront diagnostiquer la malnutrition ou décider si un patient a besoin de suppléments nutritionnels.

De plus, les chercheurs ont pu reconnaître les réponses inflammatoires dans l’intestin. Les chercheurs ont administré les bactéries du capteur à des souris souffrant d’inflammation intestinale ainsi qu’à des souris en bonne santé. De cette façon, ils pourraient identifier le profil spécifique d’ARNm des bactéries intestinales qui passent en mode inflammation.

Distinguer différentes bactéries

Les recherches actuelles publiées dans la revue Science comprend un développement scientifique qui permet aux chercheurs de distinguer deux souches de bactéries l’une de l’autre sur la base de « codes à barres » génétiques individuels. À l’avenir, cela permettra d’étudier sur des animaux de laboratoire la fonction des mutations génétiques chez les bactéries. Cela permettra aux scientifiques de comparer le profil d’ARNm de différentes bactéries, telles que la normale par rapport aux bactéries mutantes. Grâce à l’enregistreur de données moléculaires, il est possible pour la première fois de déterminer ce profil, car ils traversent l’intestin et pas seulement lorsque les bactéries atteignent les matières fécales, de sorte que les informations montrent ce qui se passait lorsque les bactéries vivaient encore dans le intestin.

Une autre piste envisageable serait de développer davantage le système pour distinguer les profils ARN des bactéries dans l’intestin grêle et le gros intestin. De plus, la fonction d’enregistreur de données pourrait être intégrée à d’autres types de bactéries. Cela ouvrirait la porte à des applications dans le domaine de la surveillance environnementale. Une analyse des bactéries du sol d’un champ cultivé, par exemple, permettrait d’établir si des herbicides ont été utilisés.

Application sûre possible

Les chercheurs ont déposé des demandes de brevet pour la méthode elle-même et pour les profils d’ARN caractéristiques qui sont des signatures de certaines molécules nutritionnelles et des indicateurs de la santé intestinale.

Avant que les bactéries du capteur puissent être utilisées en dehors du laboratoire, y compris chez des patients humains, les scientifiques doivent encore clarifier diverses questions de sécurité et juridiques, car les bactéries ont été génétiquement modifiées. « En principe, il existe des moyens d’utiliser des micro-organismes vivants génétiquement modifiés comme agents diagnostiques ou thérapeutiques en médecine, à condition que certaines conditions soient remplies », explique Platt. Il est possible, par exemple, de modifier les bactéries du capteur afin qu’elles aient besoin de certains nutriments et ne puissent donc survivre que dans l’intestin d’un patient. Dès que ces bactéries particulières quittent l’intestin, elles mourront. L’intégration de mécanismes de sécurité appropriés est la prochaine étape vers l’application de la méthode en médecine.