Dans le monde microscopique des bactéries, le transfert de gènes est un mécanisme puissant qui peut altérer la fonction cellulaire, entraîner une résistance aux antibiotiques et même façonner des écosystèmes entiers. Maintenant, un groupe interdisciplinaire de chercheurs de l'Université Rice a développé une méthode innovante de « codage à barres » pour suivre ces échanges génétiques dans les communautés microbiennes, fournissant de nouvelles informations sur la façon dont les gènes se déplacent à travers les espèces. Les résultats ont été récemment publiés dans Biotechnologie de la nature.
Nous savons depuis longtemps que les bactéries échangent des gènes de manière à avoir un impact sur la santé humaine, la biotechnologie et la stabilité environnementale. Mais la cartographie des microbes participer au transfert de gènes a été difficile. Cette nouvelle technique nous donne un moyen direct d'enregistrer ces informations à l'intérieur des cellules elles-mêmes. «
James Chappell, professeur agrégé de biosciences et de bio-ingénieurs
Les méthodes traditionnelles pour étudier le transfert de gènes impliquent de marquer des éléments génétiques mobiles avec des protéines fluorescentes ou des gènes de résistance aux antibiotiques. Bien que efficaces, ces approches nécessitent des microbes isolants et en croissance dans un laboratoire, limitant leur utilisation dans des environnements complexes.
Pour relever ce défi, une équipe interdisciplinaire des laboratoires de recherche de Rice's Chappell, Joff Silberg et Lauren Stadler a créé un nouvel outil de biologie synthétique. Cette équipe était composée de Matthew Dysart, Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle, Li Chieh Lu et August Staubus.
La nouvelle méthode de l'équipe de riz, appelée modification addressable de l'ARN (RAM), contourne ces obstacles en utilisant un ARN catalytique synthétique (ARN de chat) pour « coder à barres » l'ARN ribosomal (ARNr) à l'intérieur des cellules vivantes.
En écrivant des informations génétiques directement dans l'ARNr 16S – une molécule universellement trouvée dans les bactéries – les chercheurs pourraient suivre les microbes qui ont acquis l'ADN étranger sans perturber leur environnement naturel. De plus, comme le séquençage ciblé de l'ARNr 16S est l'étalon-or pour identifier différentes espèces de bactéries, cette méthode peut exploiter des protocoles et des logiciels d'analyse établis et faciles à utiliser.
« Cela change la donne pour la création d'un atlas d'ADN mobile », a déclaré Silberg, professeur de biosciences de Stewart Memorial et professeur de bio-ingénierie. « Au lieu d'écrire des informations au hasard dans l'ADN bactérien, qui est permanent et ardu à lire, nous écrivons des informations dans une région d'ARN qui est hautement conservée à travers l'arbre de vie, ce qui rend les informations bon marché et faciles à lire. »
Pour y parvenir, les chercheurs ont conçu une petite molécule d'ARN à base de ribozymes (également appelée ARN catalytique) qui a attaché un code-barres unique à l'ARNr 16S lors du transfert de gènes. Cet ARN de chat a été introduit dans une communauté microbienne modèle utilisant des plasmides conjugatifs, qui sont des porteurs de gènes naturels dans les bactéries.
L'expérience impliquait de l'introduction de ces plasmides de codage à barres dans des bactéries donneuses d'E. Coli, qui ont ensuite transféré leur matériel génétique à divers microbes dans une communauté d'eaux usées. Après 24 heures, les chercheurs ont extrait l'ARN total et séquencé l'ARNr 16S à code à barres.
« Ce que nous avons vu était remarquable », a déclaré Stadler, professeur agrégé de génie civil et environnemental. « Environ la moitié des taxons bactériens dans la communauté des eaux usées pourraient ramasser les plasmides, nous donnant une carte détaillée des événements de transfert de gènes horizontaux. »
L'étude a également montré que la RAM peut être utilisée pour mesurer les différences dans les plages d'hôtes entre les types de plasmides d'ADN. Avec des dizaines de milliers de plasmides d'ADN différents trouvés dans les microbes environnementaux naturels, la RAM fournit une méthode facile et rentable pour commencer à comprendre la relation entre les plasmides et leurs hôtes.
« La RAM peut être utilisée pour suivre le mouvement de plusieurs éléments génétiques dans toute une communauté microbienne », a déclaré Chappell. « Cela nous a permis de suivre le mouvement de plusieurs plasmides dans une seule expérience et pourrait être étendu pour étudier la dynamique du transfert du plasmide dans les communautés microbiennes et les interactions entre les éléments génétiques mobiles. »
La méthode RAM a des applications de grande envergure en médecine, en biotechnologie et en sciences de l'environnement. L'une des préoccupations les plus urgentes est la résistance aux antibiotiques, car le suivi de la répartition des gènes résistants dans les hôpitaux et les eaux usées pourrait aider à prédire et à prévenir les épidémies d'infections résistantes aux médicaments. Dans le domaine de la biorestauration et de la gestion des déchets, cette technologie a le potentiel d'ingénierie des microbiomes qui décomposent efficacement les polluants tout en garantissant que des modifications génétiques bénéfiques restent contenues. De plus, dans la biologie synthétique et la biotechnologie, la capacité de programmer des microbiomes pour des tâches spécifiques, telles que la production de biocarburants ou de produits pharmaceutiques, repose sur un transfert de gènes sûr et contrôlé.
« Le potentiel ici est énorme », a déclaré Stadler. « Nous avons maintenant un moyen d'étudier comment les bactéries partagent des gènes dans leur habitat naturel sans avoir besoin de les développer en laboratoire. Cela ouvre la porte à une nouvelle vague d'applications de recherche microbienne et de biologie synthétique. »
À l'avenir, cette technique de codage à barres pourrait également être élargie et appliquée à d'autres formes d'échange de gènes telles que la transduction (via les bactériophages) et la transformation (absorption directe de l'ADN). De plus, l'optimisation de la stabilité de l'ARN de chat et l'augmentation du nombre de codes de bar uniques pourraient permettre une résolution encore plus fine dans le suivi des interactions microbiennes.
« Avec un développement ultérieur, le codage à barres d'ARN pourrait devenir un outil universel pour stocker des informations dans les communautés environnementales sur les comportements microbiens supplémentaires au-delà du transfert de gènes », a déclaré Silberg.
