Comment les bactéries – inoffensives vivant dans notre corps ou celles qui provoquent des maladies – organisent-elles leurs activités? Une nouvelle étude, combinant une puissante microscopie à l'échelle génomique avec une innovation technique, capturée par les gènes qui s'activent dans différentes situations et dans différents environnements spatiaux. La technologie, décrite le 23 janvier dans Sciencepromet de faire passer l'étude des bactéries au niveau supérieur.
Jeffrey Moffitt, PhD, et ses collègues du programme en médecine cellulaire et moléculaire (PCMM) du Boston Children's Hospital Applied Merfish, une technique d'imagerie moléculaire, Moffitt a aidé à développer, pour profil les ARN messager – représentant des milliers de gènes – dans des milliers de bactéries uniques simultanées. Merfish a également capturé des informations spatiales, révélant comment les facteurs spatiaux influencent les gènes que les bactéries s'allument – quelque chose qui n'avait jamais été fait auparavant.
L'équipe a d'abord dû surmonter une obstacle majeur à l'étude d'ARN bactériennes, également connue sous le nom de transcriptome bactérien. Parce que les cellules bactériennes sont minuscules, leurs ARN sont entassés étroitement à l'intérieur et se mêlent ensemble, ce qui rend difficile l'image et les identifier. « C'était une catastrophe complète, nous n'avons rien vu », explique Moffitt.
Empruntant une technique développée dans le laboratoire d'Ed Boyden, PhD, à la microscopie à expansion du MIT – ils ont intégré les échantillons dans un hydrogel spécial. Ils ont ancré les ARN à ce gel et ont changé le tampon chimique dans le gel. Cela l'a déclenché pour gonfler, élargissant l'échantillon de 50 à 1000 fois en volume. « Tous les ARN bactériens deviennent individuellement résolus », explique Moffitt.
Pourquoi mesurer l'expression des gènes bactériens?
Jusqu'à présent, les scientifiques ont un comportement bactérien moyen dans une population bactérienne donnée. La capacité de déterminer les gènes que les bactéries individuelles utilisent peuvent donner de nouvelles informations puissantes sur les interactions bactériennes, la virulence, les réponses au stress, la capacité de résister aux antibiotiques, la capacité de former des biofilms comme ceux des cathéters, et plus encore.
« Nous avons maintenant les outils pour répondre aux questions fascinantes sur les interactions hôte-microbe et microbe-microbe », explique Moffitt. « Nous pouvons explorer comment les bactéries peuvent communiquer et rivaliser pour les niches spatiales et définir la structure des communautés microbiennes. Et nous pouvons demander comment les bactéries pathogènes ajustent leur expression génique car elles infectent les cellules de mammifères. »
Le poisson-méticité bactérien peut également fournir des informations sur les bactéries difficiles à cultiver dans un plat de culture. « Maintenant, nous n'avons plus à les culture, nous pouvons simplement les images dans leur environnement natal », explique Moffitt.
Perspectives à une seule cellule
Plusieurs expériences que l'équipe a effectuées illustrent les types de questions auxquelles les poissons bactériens peuvent répondre. Par exemple, Moffitt et ses collègues ont pu montrer cette personne E. colilorsqu'il est affamé de glucose, essayez d'utiliser des sources alimentaires alternatives les unes après les autres, modifiant leur expression génique dans une séquence spécifique. Prendre une série de clichés génomiques au fil du temps a permis à l'équipe de reconstituer cette stratégie de survie.
L'équipe a également donné un aperçu de la façon dont les bactéries organisent leurs ARN dans leurs cellules, ce qui peut être important dans la façon dont différents aspects de l'expression des gènes sont régulés. Enfin, ils ont montré que les bactéries intestinales puisent différents gènes en fonction de leur emplacement physique dans le côlon.
« Les mêmes bactéries pourraient faire des choses très différentes sur un espace de dizaines de microns », explique Moffit. « Ils voient des environnements différents et leur répondent différemment. Il était très difficile de traiter une telle variation auparavant, mais maintenant nous pouvons répondre aux types de questions dont les gens rêvaient. »
Les co-auteurs du journal étaient Ari Sarfatis, Yuanyou Wang, PhD et Nana Twumasi-Aankra dans le laboratoire Moffitt.
