Le plus petit magnétophone du monde a été construit à l’intérieur d’une bactérie vivante

Des chercheurs ont piraté le système immunitaire d’une bactérie pour qu’il serve d’équivalent à un magnétophone moléculaire.

En réagissant aux modifications chimiques de l’environnement et en les “horodatant” dans l’ADN, cette technologie ouvre la voie à des dispositifs de surveillance vivants qui pourraient être utilisés dans le cadre de dépistages sanitaires ou pour analyser les polluants dans les écosystèmes.

Les scientifiques du centre médical de l’université Columbia aux États-Unis ont coopté le système d’édition de gènes connu sous le nom de CRISPR-Cas dans la bactérie Escherichia coli, en tirant parti de sa capacité naturelle à se souvenir des informations génétiques des virus.

“Le système CRISPR-Cas est un dispositif de mémoire biologique naturelle”, explique l’auteur principal de l’étude, le biophysicien Harris Wang.

“Du point de vue de l’ingénierie, c’est une bonne chose, car il s’agit déjà d’un système qui a été perfectionné au cours de l’évolution pour être très efficace dans le stockage des informations.”

Peu de technologies méritent le droit d’être qualifiées de révolutionnaires, mais grâce à sa simplicité et à sa fiabilité relatives, ce système moléculaire a déjà laissé sa marque en transformant le domaine du génie génétique.

L’outil fonctionne selon un principe que nous avons observé chez les bactéries. Il s’avère qu’une bactérie comme E. coli contient des “bibliothèques” de séquences génétiques qui l’aident à identifier les virus invasifs.

La bactérie copie ces bibliothèques sur des sections d’ARN qui aident les enzymes appelées Cas à reconnaître rapidement les génomes viraux et à les déchirer avant qu’ils ne puissent causer des dommages.

C’est ce qui rend le système incroyablement utile en tant que scalpel moléculaire. Mais dans ce cas, les chercheurs ont porté leur attention sur la bibliothèque elle-même.

“Quand on pense à l’enregistrement de signaux changeant dans le temps avec l’électronique, ou à un enregistrement audio… c’est une technologie très puissante, mais nous nous sommes demandé comment la transposer à l’échelle des cellules vivantes elles-mêmes”, explique Ravi Sheth, l’un des étudiants diplômés de Wang.

L’équipe a utilisé des morceaux d’ADN circulaires appelés plasmides comme messages dans la bibliothèque de données.

En déclenchant la production de messages spécifiques en réponse à un signal particulier – tel que la présence d’un métabolite comme le cuivre ou le sucre fucose – les scientifiques ont pu enregistrer un changement environnemental spécifique.

Pour en faire un appareil d’enregistrement, ils devaient toutefois stocker ces changements dans une séquence pouvant être interprétée comme une mesure du temps.

C’est là que CRISPR entre en jeu. Le mécanisme d’acquisition de l’espaceur CRISPR-Cas a été modifié pour répondre à la quantité de ces plasmides en les assemblant en une séquence, un peu comme un magnétophone.

En l’absence de plasmides, la machine continue à construire la séquence en utilisant un autre type de plasmide comme espaceur de référence, ce qui équivaut à un air mort.

Le mélange de plasmides fournit un horodatage du moment où se produisent les changements dans l’environnement.

“Cette approche permet un enregistrement stable sur plusieurs jours et une reconstruction précise des informations temporelles et de lignage par le séquençage des matrices CRISPR”, écrivent les chercheurs dans leur rapport.

Regardez la vidéo ci-dessous pour vous faire une idée du processus :

L’équipe appelle sa technologie “enregistrement temporel dans les réseaux par expansion CRISPR”, ou TRACE en abrégé.

La prochaine étape pour TRACE est de répondre aux biomarqueurs de maladies dans le système digestif qui pourraient fluctuer sur plusieurs jours.

Avec l’accumulation de preuves reliant les microbes intestinaux à une variété de maladies, de la maladie de Parkinson à la fatigue chronique en passant par la sclérose en plaques, disposer d’outils plus pointus pour analyser les environnements complexes qui nous habitent est une évidence.

“De telles bactéries, avalées par un patient, pourraient être en mesure d’enregistrer les changements qu’elles subissent dans l’ensemble du tube digestif, ce qui permettrait d’obtenir une vue sans précédent de phénomènes auparavant inaccessibles”, déclare Wang.

Cette recherche a été publiée dans Science.