Ironie du sort, le système CRISPR utilisé pour embrouiller les bactéries

Les bactéries utilisent les systèmes CRISPR-Cas comme systèmes immunitaires adaptatifs pour résister aux attaques d’ennemis comme les virus. Ces systèmes ont été adaptés par des scientifiques pour supprimer ou couper et remplacer des séquences de code génétique spécifiques dans une variété d’organismes.

Mais dans une nouvelle étude, des chercheurs de la North Carolina State University montrent que les virus conçus avec un système CRISPR-Cas peuvent contrecarrer les défenses bactériennes et apporter des modifications sélectives à une bactérie ciblée, même lorsque d’autres bactéries sont à proximité.

“Les virus sont très bons pour délivrer des charges utiles. Ici, nous utilisons un virus bactérien, un bactériophage, pour délivrer CRISPR aux bactéries, ce qui est ironique car les bactéries utilisent normalement CRISPR pour tuer les virus”, a déclaré Rodolphe Barrangou, professeur émérite Todd R. Klaenhammer. of Food, Bioprocessing and Nutrition Sciences at NC State et auteur correspondant d’un article décrivant la recherche publiée aujourd’hui dans Actes de l’Académie nationale des sciences. “Le virus dans ce cas cible E. coli en lui livrant de l’ADN. C’est comme utiliser un virus comme une seringue.”

Les chercheurs de NC State ont déployé deux bactériophages modifiés différents pour fournir des charges utiles CRISPR-Cas pour l’édition ciblée de E. colid’abord dans un tube à essai, puis dans un environnement de sol synthétique créé pour imiter le sol – un environnement complexe qui peut abriter de nombreux types de bactéries.

Les deux bactériophages modifiés, appelés T7 et lambda, ont réussi à trouver puis à livrer des charges utiles au E. coli hôte sur la paillasse du laboratoire. Ces charges utiles exprimaient des gènes bactériens fluorescents et manipulaient la résistance de la bactérie à un antibiotique.

Les chercheurs ont ensuite utilisé lambda pour fournir un soi-disant éditeur de base de cytosine au E. coli héberger. Plutôt que le clivage parfois dur des séquences d’ADN de CRISPR, cet éditeur de base a changé une seule lettre de E. coli‘s DNA, montrant la sensibilité et la précision du système. Ces changements ont inactivé certains gènes bactériens sans apporter d’autres modifications à E. coli.

“Nous avons utilisé ici un éditeur de base comme une sorte d’interrupteur marche-arrêt programmable pour les gènes dans E. coli. En utilisant un système comme celui-ci, nous pouvons apporter des modifications très précises à une seule lettre au génome sans la rupture de l’ADN double brin généralement associée au ciblage CRISPR-Cas », a déclaré Matthew Nethery, ancien étudiant au doctorat de NC State et auteur principal. de l’étude.

Enfin, les chercheurs ont démontré l’édition sur site grâce à l’utilisation d’un écosystème fabriqué (EcoFAB) chargé d’un milieu de sol synthétique de sable et de quartz, ainsi que de liquide, pour imiter un environnement de sol. Les chercheurs ont également inclus trois types différents de bactéries pour tester si le phage pouvait localiser spécifiquement E. coli au sein du système.

“Dans un laboratoire, les scientifiques peuvent trop simplifier les choses”, a déclaré Barrangou. “Il est préférable de modéliser des environnements, donc plutôt que de la soupe dans un tube à essai, nous avons voulu examiner des environnements réels.”

Les chercheurs ont inséré lambda dans l’écosystème fabriqué. Il a montré une bonne efficacité dans la recherche E. coli et effectuer les modifications génétiques ciblées.

“Cette technologie va permettre à notre équipe et à d’autres de découvrir la base génétique des interactions bactériennes clés avec les plantes et d’autres microbes dans des environnements de laboratoire hautement contrôlés tels que les EcoFAB”, a déclaré Trent Northen, scientifique au Lawrence Berkeley National Laboratory du ministère de l’Énergie. (Berkeley Lab) qui collabore avec Barrangou.

“Nous voyons cela comme un mécanisme pour aider le microbiome. Nous pouvons apporter une modification à une bactérie particulière et le reste du microbiome reste indemne”, a déclaré Barrangou. “Il s’agit d’une preuve de concept qui pourrait être utilisée dans n’importe quelle communauté microbienne complexe, ce qui pourrait se traduire par une meilleure santé des plantes et une meilleure santé du tractus gastro-intestinal – des environnements importants pour l’alimentation et la santé.

“En fin de compte, cette étude représente le prochain chapitre de la livraison CRISPR – l’utilisation de virus pour fournir des machines CRISPR dans un environnement complexe.”

Les chercheurs prévoient de poursuivre ces travaux en testant la technique du phage CRISPR avec d’autres bactéries associées au sol. Il est important de noter que cela illustre comment les communautés microbiennes du sol peuvent être manipulées pour contrôler la composition et la fonction des bactéries associées aux plantes dans des écosystèmes fabriqués afin de comprendre comment améliorer la croissance des plantes et promouvoir la santé des plantes, ce qui est d’un grand intérêt pour l’agriculture durable.

Le financement a été fourni par m-CAFEs Microbial Community Analysis & Functional Evaluation in Soils, un domaine d’intérêt scientifique dirigé par Lawrence Berkeley National Laboratory et soutenu par le US Dept. of Energy sous le contrat no. DE-AC02-05CH11231, avec des efforts de collaboration incluant l’UC Berkeley et l’Innovative Genomics Institute. Les co-auteurs de l’article incluent Nethery, l’ancien chercheur postdoctoral de l’État de NC Claudio Hidalgo-Cantabrana et l’étudiant diplômé de l’État de NC Avery Roberts.