La résistance aux antibiotiques constitue une menace de plus en plus grave pour notre santé. Les communautés scientifiques et médicales sont à la recherche de nouveaux médicaments pour lutter contre les infections. Des chercheurs des instituts Gladstone viennent de se rapprocher de cet objectif grâce à une nouvelle technique permettant d'exploiter la puissance des bactériophages.
Les bactériophages, ou phages en abrégé, sont des virus qui prennent le dessus et tuent naturellement les bactéries. Il existe des milliers de phages, mais leur utilisation comme traitement pour combattre des bactéries spécifiques s'est jusqu'à présent révélée difficile. Pour optimiser la phagothérapie et la rendre applicable aux maladies humaines, les scientifiques doivent trouver des moyens de transformer les phages en machines efficaces pour tuer les bactéries. Cela offrirait également une solution alternative pour traiter les infections bactériennes résistantes aux antibiotiques classiques.
Aujourd’hui, les scientifiques de Gladstone ont développé une technologie qui leur permet de modifier les génomes des phages de manière simplifiée et très efficace, leur donnant la capacité de concevoir de nouveaux phages et d’étudier comment les virus peuvent être utilisés pour cibler des bactéries spécifiques.
« En fin de compte, si nous voulons utiliser les phages pour sauver la vie de personnes atteintes d'infections résistantes à de multiples médicaments, nous devons trouver un moyen de fabriquer et de tester de nombreuses variantes de phages pour trouver les meilleures », explique Seth Shipman, PhD, chercheur associé à Gladstone et auteur principal d'une étude publiée dans Biotechnologie de la nature« Cette nouvelle technique nous permet d’introduire avec succès et rapidement différentes modifications dans le génome du phage afin de pouvoir créer de nombreuses variantes. »
La nouvelle approche repose sur des molécules appelées rétrons, qui proviennent du système immunitaire des bactéries et agissent comme des usines de production d'ADN à l'intérieur des cellules bactériennes. L'équipe de Shipman a trouvé des moyens de programmer les rétrons pour qu'ils fassent des copies d'une séquence d'ADN souhaitée. Lorsque les phages infectent une colonie bactérienne contenant des rétrons, en utilisant la technique décrite dans la nouvelle étude de l'équipe, les phages intègrent les séquences d'ADN produites par les rétrons dans leurs propres génomes.
L'ennemi de ton ennemi
Contrairement aux antibiotiques, qui tuent de nombreux types de bactéries à la fois, les phages sont très spécifiques à certaines souches de bactéries. Alors que les taux d'infections bactériennes résistantes aux antibiotiques augmentent (on estime à 2,8 millions le nombre d'infections de ce type aux États-Unis chaque année), les chercheurs s'intéressent de plus en plus au potentiel de la phagothérapie comme alternative pour lutter contre ces infections.
« On dit que l’ennemi de votre ennemi est votre ami », explique Shipman, qui est également professeur associé au département de bio-ingénierie et de sciences thérapeutiques de l’UCSF, ainsi que chercheur au Chan Zuckerberg Biohub. « Nos ennemis sont ces bactéries pathogènes, et leurs ennemis sont les phages. »
Les phages ont déjà été utilisés avec succès en clinique pour traiter un petit nombre de patients atteints d’infections potentiellement mortelles résistantes aux antibiotiques, mais le développement de ces thérapies est complexe, prend du temps et est difficile à reproduire à grande échelle. Les médecins doivent examiner des collections de phages naturels pour vérifier si l’un d’entre eux pourrait agir contre les bactéries spécifiques isolées chez un patient donné.
Le groupe de Shipman souhaitait trouver un moyen de modifier les génomes des phages pour créer de plus grandes collections de phages qui peuvent être examinés pour une utilisation thérapeutique, ainsi que pour collecter des données sur ce qui rend certains phages plus efficaces ou ce qui les rend plus ou moins spécifiques aux cibles bactériennes.
« En tant que prédateurs naturels des bactéries, les phages jouent un rôle important dans la formation des communautés microbiennes », explique Chloe Fishman, ancienne chercheuse associée à Gladstone et co-auteure principale de la nouvelle étude, qui poursuit actuellement ses études supérieures à l'université Rockefeller. « Il est important de disposer d'outils permettant de modifier leurs génomes afin de mieux les étudier. C'est également important si nous voulons les manipuler de manière à pouvoir façonner les communautés microbiennes à notre avantage, pour tuer les bactéries résistantes aux antibiotiques, par exemple. »
Édition continue des phages
Pour modifier avec précision les génomes des phages, les scientifiques se sont tournés vers les rétons. Ces dernières années, Shipman et son groupe ont été les pionniers du développement et de l’utilisation des rétons pour modifier l’ADN des cellules humaines, des levures et d’autres organismes.
Shipman et ses collègues ont commencé par créer des rétrons qui produisent des séquences d'ADN spécifiquement conçues pour modifier les phages envahisseurs, un système que l'équipe a baptisé « recombitrons ». Ils ont ensuite placé ces rétrons dans des colonies de bactéries. Enfin, ils ont laissé les phages infecter les colonies bactériennes. Au fur et à mesure que les phages infectaient bactérie après bactérie, ils ont continuellement acquis et intégré le nouvel ADN des recombitrons, modifiant leur propre génome au fur et à mesure.
L'équipe de recherche a montré que plus les phages infectaient une colonie bactérienne contenant des recombitrons, plus le nombre de génomes de phages modifiés était important. De plus, les chercheurs ont pu programmer différentes bactéries au sein de la colonie avec différents recombitrons, et les phages ont acquis plusieurs modifications au fur et à mesure qu'ils infectaient la colonie.
Lorsqu'un phage passe d'une bactérie à une autre, il récupère différentes modifications. Effectuer des modifications multiples sur des phages était auparavant une tâche extrêmement difficile à réaliser ; à tel point que, la plupart du temps, les scientifiques ne le faisaient tout simplement pas. Désormais, il suffit de mettre quelques phages dans ces cultures, d'attendre un peu et d'obtenir des phages modifiés plusieurs fois.
Seth Shipman, Ph. D., auteur principal
Une plateforme pour cribler les phages
Si les scientifiques savaient déjà exactement quelles modifications ils souhaitaient apporter à un phage donné pour optimiser son potentiel thérapeutique, la nouvelle plateforme leur permettrait de réaliser ces modifications facilement et efficacement. Cependant, avant de pouvoir prédire les conséquences d’une modification génétique, les chercheurs doivent d’abord mieux comprendre ce qui fait fonctionner les phages et comment les variations de leur génome influent sur leur efficacité. Le système de recombitron contribue également à faire des progrès dans ce domaine.
Si plusieurs recombitrons sont introduits dans une colonie bactérienne et que les phages sont autorisés à infecter la colonie pendant une courte période, différents phages acquerront différentes combinaisons de modifications. Ces collections diverses de phages pourraient alors être comparées.
« Les scientifiques ont désormais un moyen de modifier plusieurs gènes à la fois s'ils veulent étudier comment ces gènes interagissent ou introduire des modifications qui pourraient faire du phage un tueur bactérien plus puissant », explique Kate Crawford, étudiante diplômée du laboratoire Shipman et co-première auteure de la nouvelle étude.
L'équipe de Shipman travaille à augmenter le nombre de recombitrons différents qui peuvent être placés dans une seule colonie bactérienne, puis transmis aux phages. Ils espèrent qu'à terme, des millions de combinaisons de modifications pourraient être introduites dans les phages pour créer d'énormes bibliothèques de criblage.
« Nous voulons étendre ce projet à un niveau suffisamment élevé, avec suffisamment de variantes de phages, pour pouvoir commencer à prédire quelles variantes de phages fonctionneront contre quelles infections bactériennes », explique Shipman.
