Des chercheurs créent des E. coli résistants aux virus et maîtrisés en toute sécurité pour des applications médicales et industrielles

Les travaux promettent de réduire les menaces de contamination virale lors de l’exploitation des bactéries pour produire des médicaments tels que l’insuline ainsi que d’autres substances utiles, telles que les biocarburants. Actuellement, les virus qui infectent les cuves de bactéries peuvent arrêter la production, compromettre la sécurité des médicaments et coûter des millions de dollars.

Les résultats sont publiés le 15 mars dans Nature.

“Nous pensons avoir développé la première technologie pour concevoir un organisme qui ne peut être infecté par aucun virus connu”, a déclaré le premier auteur de l’étude, Akos Nyerges, chercheur en génétique au laboratoire de George Church à l’Institut Blavatnik de Harvard. École de médecine et Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering.

“Nous ne pouvons pas dire qu’il est totalement résistant aux virus, mais jusqu’à présent, sur la base d’expériences approfondies en laboratoire et d’analyses informatiques, nous n’avons pas trouvé de virus capable de le briser”, a déclaré Nyerges.

Le travail fournit également la première mesure de sécurité intégrée qui empêche l’incorporation de matériel génétique modifié dans les cellules naturelles, a-t-il déclaré.

Les auteurs ont déclaré que leurs travaux suggèrent une méthode générale pour rendre tout organisme immunisé contre les virus et empêcher le flux de gènes entrant et sortant des organismes génétiquement modifiés (OGM). De telles stratégies de bioconfinement présentent un intérêt croissant alors que des groupes explorent le déploiement sûr des OGM pour faire pousser des cultures, réduire la propagation des maladies, générer des biocarburants et éliminer les polluants des environnements ouverts.

Construire sur ce qui a précédé

Les résultats s’appuient sur les efforts antérieurs des ingénieurs généticiens pour obtenir une bactérie utile, sûre et résistante aux virus.

En 2022, un groupe de l’Université de Cambridge pensait avoir fait un E. coli souche immunisée contre les virus. Mais ensuite, Nyerges s’est associé au chercheur Siân Owen et à l’étudiante diplômée Eleanor Rand dans le laboratoire du co-auteur Michael Baym, professeur adjoint d’informatique biomédicale à l’Institut Blavatnik du HMS. Lorsqu’ils ont échantillonné des sites locaux remplis de E. coli, y compris les poulaillers, les nids de rats, les eaux usées et la rivière Muddy en bas de la rue du campus HMS, ils ont découvert des virus qui pourraient encore infecter les bactéries modifiées.

Découvrir que les bactéries n’étaient pas entièrement résistantes aux virus “était une déception”, a déclaré Nyerges.

La méthode initiale impliquait une reprogrammation génétique E. coli pour fabriquer toutes leurs protéines vitales à partir de 61 ensembles de blocs de construction génétiques, ou codons, au lieu des 64 naturels. L’idée était que les virus ne pourraient pas détourner les cellules car ils ne pourraient pas se répliquer sans les codons manquants .

L’équipe HMS, cependant, a compris que la suppression des codons ne suffisait pas. Certains virus apportaient leur propre équipement pour contourner les pièces manquantes.

Ainsi, Nyerges et ses collègues ont développé un moyen de changer ce que ces codons disent à un organisme de faire – quelque chose que les scientifiques n’avaient pas fait à ce point dans les cellules vivantes.

Perdu dans la traduction

La clé réside dans les ARN de transfert, ou ARNt.

Le rôle de chaque ARNt est de reconnaître un codon spécifique et d’ajouter l’acide aminé correspondant à une protéine en cours de construction. Par exemple, le codon TCG indique à son ARNt correspondant d’attacher l’acide aminé sérine.

Dans ce cas, l’équipe de Cambridge avait supprimé le TCG avec le codon sœur TCA, qui appelle également la sérine. L’équipe avait également retiré les ARNt correspondants.

L’équipe HMS a maintenant ajouté de nouveaux ARNt filous à leur place. Lorsque ces ARNt voient du TCG ou du TCA, ils ajoutent de la leucine au lieu de la sérine.

“La leucine est à peu près aussi différente de la sérine que possible, physiquement et chimiquement”, a déclaré Nyerges.

Lorsqu’un virus envahissant injecte son propre code génétique plein de TCG et de TCA et essaie de dire au E. coli pour fabriquer des protéines virales, ces ARNt perturbent les instructions du virus.

L’insertion des mauvais acides aminés entraîne des protéines virales mal repliées et non fonctionnelles. Cela signifie que le virus ne peut pas se répliquer et continuer à infecter plus de cellules.

Les virus, cependant, sont également équipés de leurs propres ARNt. Ceux-ci peuvent toujours transformer avec précision le TCG et le TCA en sérine. Mais Nyerges et ses collègues ont fourni la preuve que les ARNt tricheurs qu’ils ont introduits sont si bons dans leur travail qu’ils dominent leurs homologues viraux.

“C’était très difficile et une grande réussite de démontrer qu’il est possible d’échanger le code génétique d’un organisme”, a déclaré Nyerges, “et que cela ne fonctionne que si nous le faisons de cette façon.”

Les travaux ont peut-être franchi le dernier obstacle pour rendre une bactérie immunisée contre tous les virus, bien qu’il y ait encore une chance que quelque chose apparaisse qui puisse briser la protection, ont déclaré les auteurs.

L’équipe est confiante de savoir que surmonter les codons échangés nécessiterait qu’un virus développe des dizaines de mutations spécifiques en même temps.

“C’est très, très peu probable pour l’évolution naturelle”, a déclaré Nyerges.

Mesures de sécurité

Le travail intègre deux garanties distinctes.

Le premier protège contre le transfert horizontal de gènes, un phénomène qui se produit constamment dans lequel des extraits de code génétique et les traits qui les accompagnent, comme la résistance aux antibiotiques, sont transférés d’un organisme à un autre.

Nyerges et ses collègues ont court-circuité ce résultat en effectuant des substitutions dans les gènes de la version modifiée. E. coli afin que tous les codons qui appellent la leucine soient remplacés par du TCG ou du TCA – les codons qui, dans un organisme non modifié, appelleraient la sérine. Les bactéries produisaient toujours correctement de la leucine à ces endroits en raison de leurs ARNt trompeurs.

Si un autre organisme devait incorporer l’un des extraits modifiés dans son propre génome, les ARNt naturels de l’organisme interpréteraient le TCG et le TCA comme de la sérine et se retrouveraient avec des protéines indésirables qui ne confèrent aucun avantage évolutif.

“L’information génétique sera du charabia”, a déclaré Nyerges.

De même, l’équipe a montré que si l’un des E. coliLes ARNt du filou sont transférés à un autre organisme, sa lecture erronée des codons de sérine alors que les codons de leucine endommagent ou tuent la cellule, empêchant ainsi sa propagation.

“Tous les ARNt modifiés qui s’échappent n’iront pas loin car ils sont toxiques pour les organismes naturels”, a déclaré Nyerges.

Le travail représente la première technologie qui empêche le transfert horizontal de gènes d’organismes génétiquement modifiés vers des organismes naturels, a-t-il déclaré.

Pour le deuxième système à sécurité intégrée, l’équipe a conçu les bactéries elles-mêmes pour qu’elles soient incapables de vivre en dehors d’un environnement contrôlé.

L’équipe a utilisé une technologie existante développée par le laboratoire de l’Église pour rendre le E. coli dépend d’un acide aminé fabriqué en laboratoire qui n’existe pas dans la nature. Les travailleurs qui les cultivent E. coli produire de l’insuline, par exemple, les nourrirait de l’acide aminé non naturel. Mais si des bactéries s’échappaient, elles perdraient l’accès à cet acide aminé et mourraient.

Par conséquent, aucun humain ou autre créature ne risque d’être infecté par des “superbactéries”, a souligné Nyerges.

Nyerges se réjouit d’explorer la reprogrammation des codons comme un outil pour amadouer les bactéries afin de produire des matériaux synthétiques médicalement utiles qui nécessiteraient autrement une chimie coûteuse. D’autres portes doivent encore être ouvertes.

« Qui sait quoi d’autre ? songea-t-il. “Nous venons juste de commencer à explorer.”