samedi 12 décembre 2020

Cataloguer l'arsenal caché de la nature: les virus qui infectent les bactéries

Image artistique des phages. (Crédit Antara Mutalik)
«Cataloguer l'arsenal caché de la nature: les virus qui infectent les bactéries», source Doe/Lawrence Berkeley National Laboratory.

Une nouvelle approche génétique peut accélérer l'étude des interactions phages-microbes avec des implications pour la santé, l'agriculture et le climat.

Des scientifiques recherchent continuellement des moyens nouveaux et améliorés afin de lutter contre les bactéries, que ce soit pour éliminer les souches pathogènes ou pour modifier des souches potentiellement bénéfiques. Et malgré les nombreux médicaments intelligents et outils de génie génétique inventés par les humains pour ces tâches, ces approches peuvent sembler maladroites par rapport aux attaques finement réglées menées par des phages, les virus qui infectent les bactéries.

Les phages, comme d'autres parasites, sont des moyens en constante évolution pour cibler et exploiter leur souche bactérienne hôte spécifique, et à leur tour, les bactéries sont en constante évolution des moyens pour échapper aux phages. Ces batailles perpétuelles pour la survie produisent des arsenaux moléculaires incroyablement diversifiés que les chercheurs ont hâte d'étudier, mais cela peut être fastidieux et laborieux.

Pour mieux comprendre ces stratégies défensives, une équipe dirigée par des scientifiques du Berkeley Lab vient de développer une nouvelle méthode efficace et peu coûteuse. Comme indiqué dans PLOS Biology, l'équipe a montré qu'une combinaison de trois techniques peut révéler les récepteurs bactériens que les phages exploitent pour infecter la cellule, ainsi que les mécanismes cellulaires utilisés par les bactéries pour répondre à une infection par phages.

«Malgré près d'un siècle de travail moléculaire, les mécanismes sous-jacents des interactions phage-hôte ne sont connus que pour quelques paires, où l'hôte est un organisme modèle bien étudié qui peut être cultivé en laboratoire», a déclaré l'auteur correspondant Vivek Mutalik, chercheur au sein de la division Génomique environnementale et biologie des systèmes (EGSB) du Berkeley Lab. «Cependant, les phages représentent les entités biologiques les plus abondantes sur Terre et, en raison de leur impact sur les bactéries, ils sont les principaux moteurs des cycles des nutriments environnementaux, de la production agricole et de la santé humaine et animale. Il est devenu impératif d’acquérir des connaissances plus fondamentales sur ces interactions afin de mieux comprendre les microbiomes de la planète et de développer de nouveaux médicaments, tels que des vaccins à base de bactéries ou des cocktails de phages pour traiter les infections résistantes aux antibiotiques.»

L’approche en trois volets de l’équipe, appelée bibliothèques de perte de fonction et de gain de fonction avec code-barres, utilise la technique établie de création de suppressions de gènes et d’augmentation de l’expression des gènes pour identifier les gènes que les bactéries utilisent pour échapper aux phages. Ces informations indiquent également aux scientifiques quels récepteurs les phages ciblent sans avoir à analyser les génomes des phages. (Cependant, les scientifiques prévoient d'adapter la technique pour une utilisation sur les virus à l'avenir, pour en apprendre encore plus sur leur fonction.)

Mutalik et ses collègues ont testé leur méthode sur deux souches de E. coli connues pour être ciblées par 14 phages génétiquement divers. Leurs résultats ont confirmé que la méthode fonctionne correctement en révélant rapidement la même suite de récepteurs de phages qui avait été précédemment identifiée au cours de décennies de recherche, et a également fourni de nouveaux résultats qui ont été manqués dans des études antérieures.

Selon Mutalik, l'approche peut également être étendue pour évaluer simultanément les relations phagiques pour des centaines de bactéries prélevées dans divers environnements. Cela permettra aux scientifiques d’étudier beaucoup plus facilement la «matière noire» biologique de la planète, qui fait référence aux micro-organismes incultes et donc mal compris qui abondent dans de nombreux environnements. En fait, on estime que 99% de tous les micro-organismes vivants ne peuvent pas être cultivés dans un laboratoire.

L’approche de l’équipe représente également une opportunité de normaliser les ressources génétiques utilisées dans la recherche sur les phages, qui a toujours été un processus ad hoc et très variable, et de créer des réactifs et des ensembles de données partageables.

«Le rôle des phages est un énorme 'connu-inconnu'», car nous savons qu'il y a des phages partout, mais nous ne savons presque rien de plus. Par exemple, nous comprenons moins de 10% des gènes codés dans les génomes de phages précédemment séquencés», a déclaré Mutalik. «Maintenant que nous avons enfin un outil rationalisé pour examiner les phages, il y a de nombreuses questions passionnantes auxquelles nous pouvons commencer à répondre et une opportunité de faire une différence dans le monde

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