Le potentiel antimicrobien des systèmes CRISPR-Cas est prometteur, mais la meilleure façon de concevoir ou de mettre en œuvre les nucléases CRISPR reste mal comprise. Une équipe internationale dirigée par l’Institut Helmholtz pour la recherche sur les infections à base d’ARN (HIRI) à Würzburg a maintenant comblé cette lacune dans les connaissances.
Les chercheurs ont mené la première interrogation systématique des antimicrobiens CRISPR en utilisant comme études de cas des bactéries multirésistantes et hypervirulentes, révélant de grandes variations d’efficacité qui pourraient être prédites via un criblage à haut débit et l’apprentissage automatique. Leurs conclusions sont publié dans la revue Recherche sur les acides nucléiques.
La découverte de composés antimicrobiens tels que les antibiotiques conventionnels a transformé la médecine, permettant de traiter des infections autrefois considérées comme incurables. Cependant, le développement de nouveaux agents a ralenti, tandis que l’utilisation inappropriée des antibiotiques existants a alimenté l’émergence d’une résistance aux antibiotiques. Par conséquent, il existe un besoin croissant de nouveaux moyens pour éradiquer les agents pathogènes.
Les systèmes CRISPR-Cas, mécanismes immunitaires adaptatifs utilisés par les bactéries pour se défendre contre l’invasion virale, offrent une solution distincte grâce à leur capacité à éliminer sélectivement les microbes sur la base uniquement de séquences génétiques. Pourtant, à ce jour, des études systématiques visant à évaluer l’efficacité de ces antimicrobiens CRISPR, en particulier sur différentes nucléases, sites cibles et souches bactériennes, font défaut.
Pour combler cette lacune, une équipe internationale dirigée par l’Institut Helmholtz pour la recherche sur les infections à base d’ARN (HIRI), un site du Centre Helmholtz de Braunschweig pour la recherche sur les infections (HZI) en coopération avec la Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), a a maintenant entrepris le premier interrogatoire complet de ces nouveaux agents. Leurs recherches portent sur Klebsiella pneumoniae, une bactérie connue pour son association avec la résistance aux antibiotiques.
« Klebsiella pneumoniae offre une étude de cas particulièrement intéressante étant donné qu’elle comprend de nombreuses souches présentant des caractéristiques de virulence et de résistance variables », explique Chase Beisel, chef du département de biologie synthétique de l’ARN au HIRI et professeur à la faculté de médecine JMU. Il a dirigé l’étude internationale en collaboration avec des chercheurs de l’Institut Pasteur de Paris, en France, de l’Université de Tel Aviv en Israël, du HZI et de l’Université de Toronto au Canada.
L’équipe a combiné l’expertise dans les technologies CRISPR, la bactérie Klebsiella, la délivrance de bactériophages, les cribles à haut débit et l’apprentissage automatique nécessaires pour mener une étude de cette envergure.
Une variété différente, (parfois) un effet différent
Les systèmes CRISPR-Cas utilisent un mécanisme de défense sophistiqué : un acide ribonucléique (ARN) CRISPR aide à détecter les régions d’un génome étranger, comme l’ADN ou l’ARN, pour un clivage ciblé. Par la suite, la nucléase associée à CRISPR (Cas) coupe sa cible comme une paire de ciseaux moléculaires.
Les scientifiques ont découvert que différentes nucléases CRISPR présentent des efficacités très variables. Dans leurs expériences, les nucléases ciblant l’ADN ont présenté des performances supérieures à celles ciblant l’ARN.
De plus, différents types de K. pneumoniae ont montré une variation de leur sensibilité à un antimicrobien CRISPR, malgré l’utilisation de nucléases identiques pour cibler des sites identiques. Elena Vialetto, première auteure de l’étude et ancienne doctorante. étudiant du laboratoire Beisel, déclare : « L’activité antimicrobienne variable entre des bactéries apparentées était surprenante compte tenu de l’utilisation des mêmes constructions CRISPR. Nous avons attribué cette différence au repliement des ARN CRISPR qui guident le ciblage de l’ADN.
Beisel ajoute : « Cette étude est la première à démontrer que l’efficacité antibactérienne peut varier même entre des souches apparentées. »
Pour explorer les fonctionnalités qui pourraient améliorer le ciblage sur diverses souches, les chercheurs ont effectué un criblage à l’échelle du génome de différents types de K. pneumoniae. Cet effort a donné lieu à des principes et des paramètres de conception pour d’éventuels antimicrobiens CRISPR et a facilité la formation d’un algorithme permettant de prévoir leur efficacité.
Des phages comme chevaux de Troie
L’équipe s’est également lancée dans la prochaine étape du développement des agents actifs, à savoir la livraison. Les chercheurs ont utilisé des bactériophages comme véhicules pour les antimicrobiens CRISPR, qu’ils ont équipés de fibres de queue modifiées pour augmenter la portée du chargement CRISPR.
Cette étude jette les bases du développement ultérieur de CRISPR comme moyen de prévenir ou de traiter les infections résistantes aux antibiotiques.
« Nous espérons que ces travaux apporteront une plus grande visibilité à l’utilisation de CRISPR comme antimicrobien à spectre adapté dans la lutte en cours contre la résistance aux antibiotiques », conclut Beisel.
Plus d’information:
Elena Vialetto et al, L’interrogation systématique des antimicrobiens CRISPR chez Klebsiella pneumoniae révèle des caractéristiques dépendantes de la nucléase, du guide et de la souche influençant l’activité antimicrobienne, Recherche sur les acides nucléiques (2024). DOI : 10.1093/nar/gkae281
Fourni par le Centre Helmholtz pour la recherche sur les infections