Dans cette interview, nous parlons à Echo Pan, un Ph.D. étudiante de la North Carolina State University à propos de ses dernières recherches qui ont utilisé CRISPR pour en savoir plus sur les probiotiques.
Sommaire
Pourriez-vous vous présenter et nous dire ce qui a inspiré vos dernières recherches sur les probiotiques ?
Je m’appelle Echo Pan. Je suis titulaire d’un doctorat. étudiant à l’université d’État de Caroline du Nord, avec spécialisation en génomique fonctionnelle. J’ai rejoint le laboratoire de Rodolphe en 2017 après avoir obtenu mon BS en science alimentaire de l’Université du Wisconsin – Madison.
J’ai toujours voulu en savoir plus sur les probiotiques et le microbiome humain. J’étais fasciné par le fait que ces minuscules bactéries puissent avoir des effets aussi drastiques sur notre santé. Je n’avais entendu parler de CRISPR qu’une seule fois dans mon cours de génétique microbienne lorsque j’ai rejoint le laboratoire et je n’avais aucune idée que je travaillerais avec lui pour mes recherches universitaires.
Notre laboratoire a toujours été à la frontière de la recherche sur les probiotiques, en particulier dans Lactobacille, le non. 1 genre bactérien utilisé dans les probiotiques commerciaux. Nous avons appliqué notre expertise CRISPR pour manipuler les génomes de Lactobacille pour mieux étudier leur efficacité probiotique. D’autre part, des outils moléculaires limités ont été développés pour Bifidobactérie, ce qui laisse un vide dans la compréhension des mécanismes sous-jacents de l’efficacité des probiotiques Bifidobactérie. Nous voulions tirer parti de notre expertise en CRISPR et en microbiologie pour aider à combler cette lacune technique.
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Que sont les probiotiques et pourquoi sont-ils couramment utilisés ?
La définition FAO/OMS d’un probiotique est « des micro-organismes vivants qui, lorsqu’ils sont administrés en quantités adéquates, confèrent un avantage pour la santé de l’hôte ».
Les probiotiques sont généralement appelés les «bonnes bactéries». Vous pouvez les trouver dans les suppléments et les aliments fermentés tels que le yaourt et le fromage. Parfois, les médecins recommandent aux patients de prendre des probiotiques lorsqu’on leur prescrit des antibiotiques. L’idée est que les antibiotiques ont tendance à éliminer votre microbiome natif (bonnes et mauvaises bactéries), et les probiotiques peuvent aider à restaurer le microbiome normal. Les probiotiques ont été associés à une gamme d’avantages pour la santé tels que la santé digestive, la santé immunitaire, la santé du nourrisson, la santé du cerveau, etc.
Les scientifiques ont découvert certains mécanismes sous-jacents de la façon dont ces micro-organismes bénéfiques confèrent des avantages pour la santé aux humains. Pour la plupart, cependant, les chercheurs essaient toujours de comprendre exactement comment fonctionnent les probiotiques.
Bifidobacterium, une bactérie intestinale couramment utilisée pour aider à maintenir des microbiomes sains, a fait l’objet de vos dernières recherches. Bien que cela soit trouvé dans de nombreux probiotiques, il est difficile à caractériser. Pourquoi est-ce?
Contrairement à d’autres bactéries génétiquement traitables, le génie génomique dans Bifidobactérie est entravé par différents facteurs, notamment une boîte à outils de biologie moléculaire limitée, une structure de paroi cellulaire réfractaire, une abondance de systèmes de restriction et de modification (RM) et l’absence d’un réplicon universel qui se réplique dans un large éventail d’espèces de Bifidobacterium.
Dans l’ensemble, ces facteurs limitants entravent notre capacité à étudier et à manipuler ce genre important (le deuxième genre le plus formulé dans les probiotiques commerciaux après Lactobacille), et de nouveaux outils moléculaires permettront l’ingénierie de Bifidobactérie des souches à efficacité probiotique renforcée et le développement d’applications biothérapeutiques
Dans vos dernières recherches, vous vous êtes penché sur la génétique derrière Bifidobacterium. Pouvez-vous nous dire comment vous avez mené vos recherches et les outils génétiques utilisés ?
Dans cet article, nous avons réorienté le système IG CRISPR-Cas endogène et adopté un éditeur de base CRISPR exogène pour l’ingénierie du génome dans B. animalis sous-espèce. lactis. Nous avons utilisé une combinaison de différentes approches, y compris la génomique, la transcriptomique, l’analyse informatique et les tests in vitro TXTL, pour caractériser les systèmes CRISPR-Cas endogènes dans Bifidobactérie, ce qui était crucial pour les applications d’ingénierie du génome en aval. Nous avons également caractérisé les épigénomes de ces bactéries, ce qui nous a permis de comprendre comment ces souches très proches se différencient les unes des autres.
Crédit d’image : Marc Hall, Université d’État de Caroline du Nord
Qu’avez-vous découvert sur la bactérie ?
Les résultats de cet article ont mis en évidence l’importance de combiner la génomique et l’épigénétique pour démocratiser le génie génétique chez les bactéries récalcitrantes telles que Bifidobactérie. Malgré le partage de génomes très homogènes, ces souches expriment différents modèles épigénétiques, qui contribuent aux différents niveaux d’accessibilité génétique entre les souches.
Nous prévoyons que les modèles épigénétiques hétérogènes pourraient également contribuer à différentes performances probiotiques au-delà de la simple accessibilité génétique. Une meilleure compréhension de l’effet de l’épigénome sur l’efficacité des probiotiques est quelque chose que nous souhaitons explorer. Comme nous l’avons montré dans l’article, l’établissement d’une plate-forme d’édition du génome serait crucial pour la découverte.
Quelles implications vos découvertes auront-elles pour le domaine de la microbiologie et, en particulier, des probiotiques ?
Les stratégies établies dans cet article peuvent être exploitées et appliquées largement à d’autres bactéries importantes, y compris le microbiome intestinal humain et les microbiomes dans des niches environnementales telles que l’eau (océans, lacs) et le sol (pour Ag et au-delà). Depuis Bifidobactérie est un genre relativement sous-étudié avec des outils limités pour la livraison d’ADN et la manipulation du génome, les approches que nous avons utilisées peuvent faciliter et accélérer le déploiement de la microbiologie moléculaire et de l’édition du génome dans de nombreux genres importants mais sous-étudiés.
Outre la re-sensibilisation aux antibiotiques, comme démontré dans l’article, les stratégies que nous avons établies dans l’article ouvrent de nouvelles opportunités pour l’amélioration des probiotiques. Par exemple, nous pouvons affiner le métabolisme des glucides pour améliorer l’utilisation des HMO dans le lait maternel en Bifidobactérie, qui est fortement associé à un microbiome infantile sain. Pour contrôler l’inflammation, nous pouvons également effectuer une ingénierie de surface cellulaire pour moduler l’interaction moléculaire avec les cellules épithéliales et immunitaires de l’hôte. Nous pouvons également développer des produits biothérapeutiques vivants (LBP), en concevant des probiotiques comme châssis pour délivrer des enzymes ou des petites molécules thérapeutiques. Il existe un large éventail d’applications pour déchiffrer et améliorer les attributs génétiques qui rendent les bifidobactéries hautement pertinentes pour la santé humaine.
Pour vos dernières recherches, vous avez utilisé CRISPR-Cas. Comme il s’agit encore d’une technologie d’édition de gènes relativement nouvelle, comment cela a-t-il influencé la recherche en microbiologie ? Espérez-vous qu’avec les progrès continus de la technologie, les découvertes en microbiologie continueront d’émerger ?
Dans la nature, les systèmes CRISPR-Cas servent de systèmes immunitaires adaptatifs dans les attaques de bactéries et de bactériophages (mon chercheur principal, le Dr Rodolphe Barrangou, l’a signalé pour la première fois en 2007). CRISPR a été utilisé dans l’industrie de la fermentation pour immuniser la culture starter contre les phages bien avant qu’il ne soit réutilisé comme outil d’édition du génome. Les scientifiques en microbiologie ont également profité des séquences hypervariables du réseau CRISPR pour différencier les souches de bactéries qui sont identiques à plus de 99 % dans les génomes. À cet égard, CRISPR a influencé la recherche en microbiologie bien avant qu’il ne soit utilisé pour éditer des cellules humaines ou des cellules végétales.
Depuis l’introduction du système CRISPR-Cas9, les scientifiques ont utilisé des outils d’édition du génome basés sur CRISPR pour manipuler les génomes à travers l’arbre de la vie, révolutionnant le domaine de la génétique. Bien que CRISPR ait été rapidement adopté pour l’ingénierie du génome chez les eucaryotes, son déploiement chez les procaryotes a pris du retard en raison de nombreux facteurs intrinsèques tels que la létalité des nucléases. C’est là que notre recherche entre en jeu et, espérons-le, fera un petit pas pour aider à combler cette énorme lacune. Il y a tellement d’inconnues concernant notre microbiome. Je suis certain que d’autres découvertes en microbiologie continueront d’émerger.
Crédit d’image : elenabsl/Shutterstock.com
L’industrie du bien-être est un secteur qui s’intéresse vivement aux probiotiques. Comment cette industrie a-t-elle influencé la recherche sur les probiotiques ?
Les progrès récents de la recherche sur le microbiome ont suscité une nouvelle vague d’enthousiasme pour les bactéries probiotiques pour des applications en santé humaine. Notre collaborateur de l’industrie, IFF, l’un des plus grands fournisseurs de probiotiques au monde, a également observé une demande croissante de ses clients pour des produits enrichis en probiotiques tels que des barres protéinées, des boissons, des collations, etc.
D’une part, c’est formidable que le public soit de plus en plus soucieux de sa santé et éduqué pour prendre des décisions éclairées. Surtout après le début de COVID-19 en 2020, il y a eu un pic d’intérêt du public pour les produits liés à la santé et au bien-être tels que les probiotiques. D’autre part, tous les probiotiques ne sont pas créés égaux.
Malheureusement, de nombreux produits probiotiques commerciaux ne correspondent pas au bon groupe taxonomique indiqué sur la liste des ingrédients ou ne sont pas en mesure de compter les cellules viables avant les dates de péremption. Toutes ces lacunes auront une influence négative sur l’industrie des probiotiques et la confiance du public dans ce marché. Des réglementations structurées et des méthodes efficaces et abordables pour formuler et tester des produits probiotiques commerciaux seraient cruciales pour l’industrie des probiotiques à long terme.
Votre recherche a été soutenue par NC State et la North Carolina Agricultural Foundation, en plus d’être un effort de collaboration entre de nombreux chercheurs. Quelle est l’importance du financement, du soutien et de la collaboration pour faire de nouvelles découvertes ?
Je suis plus que reconnaissante d’avoir l’opportunité de travailler avec tant d’excellents collègues et collaborateurs ; ils ont été d’un soutien inestimable tout au long de ce parcours. La Fondation NC Ag a été très favorable au financement de la recherche agricole translationnelle comme celles que nous avons en laboratoire. De nos jours, le succès de toute recherche scientifique moderne dépend fortement de l’obtention d’un financement suffisant.
Je suis très reconnaissant envers mon chercheur principal, le Dr Rodolphe Barrangou, qui veille toujours à ce que ses étudiants aient un financement sûr. Dans l’atmosphère actuelle de rareté des financements, la carrière universitaire d’une personne est souvent étroitement liée à sa capacité à obtenir des financements. En tant que doctorat. étudiant, c’est un tel soulagement que je peux me concentrer uniquement sur la recherche et faire fonctionner les expériences sans me soucier de la façon de payer les frais de scolarité de mon prochain semestre.
Quelles sont les prochaines étapes pour vous et vos recherches sur les probiotiques ?
Cette recherche a soulevé plus de questions, telles que la façon dont nous pouvons mieux rationaliser le processus de modification du génome et comment l’épigénome affecte les fonctions de Bifidobactérie, sur lesquels nous travaillons activement en laboratoire. Entre-temps, nous avons continué à renforcer notre relation de collaboration avec notre commanditaire industriel et à nous consulter pour aider à améliorer leurs produits probiotiques.
Personnellement, je prévois d’obtenir mon diplôme au printemps 2023 et de commencer ma carrière dans l’industrie de la biotechnologie. Je souhaite mettre à profit mon expertise en génomique, microbiologie et biologie moléculaire dans des projets industriels. Qu’il s’agisse de développer des biothérapies humaines ou la prochaine génération de probiotiques, j’utiliserai mes compétences et mes connaissances pour avoir un impact translationnel positif sur la vie des gens.
Où les lecteurs peuvent-ils trouver plus d’informations ?
Veuillez lire notre article ici : https://doi.org/10.1073/pnas.2205068119
À propos du panoramique d’écho
Echo Pan est un étudiant au doctorat spécialisé en génomique fonctionnelle à la NC State University. Elle a précédemment obtenu sa maîtrise en sciences alimentaires de la NC State University en 2019. Elle est diplômée de UW-Madison avec un BS en sciences alimentaires en 2017. 
- Rockey FFAR Fellow à la Foundation of Food and Agriculture Research (cohorte 2020 – 2023).
- Vice-président de l’Association des étudiants diplômés de NC State – Affaires académiques (2022 – 2023)
- Récipiendaire de la dotation Amy et Todd Klaenhammer FBNS Graduate Award (2018)
