Un magnétophone moléculaire grâce à CRISPR
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Les chercheurs rapportent la création d’un magnétophone moléculaire qui peut enregistrer des événements dans une cellule grâce à la technique CRISPR-Cas. Si c’est confirmé par d’autres études, alors le potentiel est intéressant allant du diagnostic des maladies jusqu’au suivi environnemental.
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Grâce à quelques bidouillages moléculaires, les chercheurs du Columbia University Medical Center ont transformé un système immunitaire bactérien naturel en un enregistreur de données microscopique en posant les bases d’une nouvelle classe de technologies utilisant des cellules bactériennes pour de nombreux aspects allant du diagnostic de maladies jusqu’au suivi environnemental.
Sommaire
Le système CRISPR-Cas
Les chercheurs ont modifié le microbe intestinal Escherichia coli en permettant aux bactéries d’enregistrer non seulement leurs interactions avec l’environnement, mais aussi d’horodater les événements. De telles bactéries, avalées par un patient, pourraient enregistrer les changements qu’elles subissent à travers le tube digestif en donnant une vision sans précédent des phénomènes auparavant inaccessibles selon Harris Wang, professeur adjoint au département de pathologie et de biologie cellulaire et des systèmes à CUMC et auteur principal du nouveau papier publié dans Science.1 D’autres applications pourraient inclure la détection de l’environnement et des études de base en écologie et en microbiologie où les bactéries pourraient surveiller les changements autrement invisibles sans perturber leur environnement.
Wang et les membres de son laboratoire ont créé l’enregistreur de données microscopique en exploitant la technologie CRISPR-Cas qui est un système immunitaire dans de nombreuses espèces de bactéries. CRISPR-Cas copie des fragments d’ADN provenant de virus afin que les générations suivantes de bactéries puissent repousser plus efficacement ces pathogènes. En conséquence, le locus CRISPR du génome bactérien accumule un enregistrement chronologique des virus bactériens. Quand ces mêmes virus tentent une nouvelle infection, le système CRISPR-Cas peut les reconnaître et les éliminer.
Le système CRISPR-Cas est un dispositif de mémoire biologique naturel selon Wang. Du point de vue de l’ingénierie, c’est une superbe mécanique, car c’est un système qui a été perfectionné grâce à l’évolution pour être vraiment efficace dans le stockage de l’information. Normalement, CRISPR-Cas utilise ses séquences enregistrées pour détecter et couper l’ADN des phages entrants. La spécificité de cette activité de coupe d’ADN a propulsé la technique CRISPR-Cas au sommet de la génétique, notamment en thérapie génique avec des chercheurs qui l’utilisent pour faire des changements précis dans les génomes des cellules cultivées, des animaux de laboratoire et même des humains. Plus d’une douzaine d’essais cliniques sont en cours pour traiter diverses maladies grâce à la thérapie génique CRISPR-Cas.
Un enregistreur basé sur CRISPR qui enregistre de nombreux événements
Mais Ravi Sheth, un étudiant diplômé dans le laboratoire de Wang, a vu un autre potentiel dans la fonction d’enregistrement de CRISPR-Cas. Quand vous pensez à l’enregistrement de signaux qui changent avec le temps, alors on pense à l’électronique ou à un enregistrement audio. Mais nous nous sommes demandé comment adapter cet enregistrement aux cellules vivantes selon Sheth.
Les signaux audio peuvent être stocké sur une bande magnétique. De même, un magnétophone microscopique peut stocker des signaux biologiques dans une bande CRISPR à l’intérieur d’une bactérie – Crédit : Wang Lab/Columbia University Medical Center
Pour construire leur enregistreur microscopique, Sheth et d’autres membres du laboratoire de Wang ont modifié un fragment d’ADN appelé plasmide pour lui donner la possibilité de créer plus de copies de lui-même dans la cellule bactérienne en réponse à un signal externe. Un plasmide d’enregistrement séparé, qui pilote l’enregistreur et marque le temps, exprime les composants du système CRISPR-Cas. En l’absence d’un signal externe, seul le plasmide d’enregistrement est actif et la cellule ajoute des copies d’une séquence d’espacement au locus CRISPR dans son génome. Quand un signal externe est détecté par la cellule, l’autre plasmide est également activé en provoquant l’insertion de ses séquences. Le résultat est un mélange de séquences d’arrière-plan qui enregistrent les séquences de temps et de signal qui changent en fonction de l’environnement de la cellule. Les chercheurs peuvent ensuite examiner le locus CRISPR bactérien et utiliser des outils de calcul pour lire l’enregistrement et son timing.
Le papier démontre que le système peut gérer au moins 3 signaux simultanés et enregistrer pendant des jours. Désormais, nous prévoyons d’examiner divers marqueurs qui pourraient être modifiés en fonction des changements dans les états naturels ou pathologiques dans le système gastro-intestinal ou ailleurs selon le Dr Wang. Les biologistes synthétiques ont déjà utilisé CRISPR pour stocker des poèmes, des livres et des images dans l’ADN, mais c’est la première fois que CRISPR a été utilisé pour enregistrer l’activité cellulaire et le calendrier de ces événements.
