Des spores microbiennes à codes barres peuvent retracer l'origine d'objets et des produits agricoles

« Des spores microbiennes à codes barres peuvent retracer l'origine d'objets et des produits agricoles », source communiqué de Harvard Medical School.

Chaque année, environ 48 millions d'Américains tombent malades à cause de maladies d'origine alimentaire, entraînant quelque 128 000 hospitalisations et 3 000 décès, selon les Centers for Disease Control and Prevention des États-Unis.

Ce problème de santé publique est aggravé par des milliards de dommages économiques liés aux rappels de produits, ce qui met en évidence la nécessité de déterminer rapidement et avec précision les sources de maladies d'origine alimentaire.

Avec la complexité croissante des chaînes d'approvisionnement mondiales pour la myriade d'aliments disponibles pour les consommateurs, cependant, la tâche de tracer l'origine exacte des articles contaminés peut être difficile.

Dans une nouvelle solution qui peut aider à déterminer l'origine des produits agricoles et d'autres biens, des scientifiques de la Harvard Medical School (HMS) ont développé un système microbien à code-barres qui peut être utilisé pour étiqueter des objets de manière peu coûteuse, évolutive et fiable.

Présentée dans Science le 4 juin, l'équipe de recherche décrit comment des spores microbiennes synthétiques peuvent être introduites en toute sécurité sur des objets et des surfaces à un point d'origine, comme un champ ou une usine de fabrication, et être détectées et identifiées des mois plus tard.

Les spores sont dérivées de la levure de boulangerie et d'une souche bactérienne commune utilisée dans une grande variété d'applications, telles que des compléments alimentaires probiotiques, et conçues pour être incapables de croître dans la nature pour éviter les effets écologiques négatifs.

«Les spores sont à bien des égards une solution à l'ancienne et ont été pulvérisées en toute sécurité sur des produits agricoles comme inoculants du sol ou des pesticides biologiques pendant des décennies. Nous venons d'ajouter une petite séquence d'ADN que nous pouvons amplifier et détecter», a dit l'auteur correspondant de l'étude, Michael Springer, professeur de biologie des systèmes à l'Institut Blavatnik de la HMS.

«Nous avons également travaillé dur pour nous assurer que ce système est sûr, en utilisant des souches microbiennes courantes et en intégrant plusieurs niveaux de contrôle», a ajouté Springer. «Nous espérons que ceal pourra être utilisé pour aider à résoudre des problèmes qui ont d'énormes implications pour la santé publique et l'économie.»

Ces dernières années, les scientifiques ont beaucoup appris sur les interactions entre les microbes et leur environnement. Des études montrent que les communautés microbiennes dans les maisons, sur les téléphones portables, sur le corps humain et plus ont des compositions uniques, similaires aux empreintes digitales. Cependant, les tentatives d'utilisation d'empreintes digitales microbiennes pour identifier la provenance peuvent prendre du temps et ne sont pas facilement évolutives.

L'utilisation de séquences d'ADN synthétisées sur mesure comme codes barres s'est avérée en principe efficace pour l'étiquetage des aliments et d'autres articles. Pour être largement utiles, les codes barres d'ADN doivent être produits à bas prix en gros volumes, persister sur des objets dans des environnements très variables, et pouvoir être décodés de manière fiable et rapide - des obstacles qui n'ont jusqu'à présent pas été surmontés car l'ADN est fragile.

Emballage robuste

Dans leur étude, Springer et ses collègues ont cherché à déterminer si les codes barres d'ADN emballés dans des spores microbiennes, qui peuvent être pulvérisés sur les cultures et identifiés des mois plus tard, pourraient aider à résoudre ces problèmes.

De nombreux micro-organismes, notamment des bactéries, des levures et des algues, forment des spores en réponse à des conditions environnementales difficiles. De façon analogue aux graines, les spores permettent aux micro-organismes de rester dormants pendant des périodes extraordinairement longues et de survivre à des conditions extrêmes telles que des températures élevées, la sécheresse et le rayonnement UV.

L'équipe de recherche a créé des séquences d'ADN sur mesure qu'elles ont intégrées dans les génomes des spores de deux micro-organismes, Saccharomyces cerevisiae, également connue sous le nom de levure de boulanger, et Bacillus subtilis, une bactérie commune et répandue qui a de nombreuses utilisations commerciales, y compris comme probiotique alimentaire, inoculant du sol et fermentant certains aliments. Ces spores peuvent être cultivées à bon marché en laboratoire en grand nombre.

Les séquences d'ADN synthétique sont courtes et ne codent pour aucun produit protéique, et sont donc biologiquement inertes. Insérées dans le génome en tandem, les séquences sont conçues pour que des milliards de codes barres uniques puissent être créés.

L'équipe a également veillé à ce que les spores à code barres ADN ne puissent pas se multiplier, croître et se propager dans la nature. Ils l'ont fait en utilisant des souches microbiennes qui nécessitent une supplémentation nutritionnelle spécifique et en supprimant les gènes nécessaires à la germination et à la croissance des spores. Des expériences impliquant des centaines de millions à plus d'un billion de spores modifiées ont confirmé qu'elles étaient incapables de former des colonies.

Pour lire les codes-barres d'ADN, les chercheurs ont utilisé un outil CRISPR peu coûteux qui peut détecter la présence d'une cible génétique rapidement et avec une sensibilité élevée. La technologie, appelée SHERLOCK, a été développée au Broad Institute du MIT et Harvard, dans le cadre d'une collaboration dirigée par les membres de l'institut James Collins et Feng Zhang.

«Les spores peuvent survivre dans la nature pendant une très longue période et sont un excellent moyen pour nous d'incorporer des codes-barres d'ADN», a déclaré le co-premier auteur de l'étude, Jason Qian, un étudiant diplômé en biologie des systèmes au HMS. «L'identification des codes barres est simple, en utilisant une source de lumière bleue, un filtre en plastique orange et un appareil photo de téléphone portable. Nous n'envisageons aucun défi pour la déployabilité sur le terrain.»

Le monde réel

L'équipe a examiné l'efficacité de leur système de spores microbiennes à code s barres à travers une variété d'expériences.

Ils ont fait pousser des plantes en laboratoire et ont pulvérisé sur chaque plante différentes spores à code barres. Une semaine après l'inoculation, une feuille et un échantillon de sol de chaque pot ont été récoltés. Les spores ont été facilement détectées, et même lorsque les feuilles ont été mélangées, l'équipe a pu identifier de quel pot provenait chaque feuille.

Lorsqu'elles ont été pulvérisées sur l'herbe à l'extérieur et exposées aux intempéries pendant plusieurs mois, les spores sont restées détectables, avec une propagation minimale en dehors de la région inoculée. Sur des environnements tels que le sable, le sol, les tapis et le bois, les spores ont survécu pendant des mois sans perte au fil du temps, et elles ont été identifiées après des perturbations telles que l'aspiration, le balayage et la simulation du vent et de la pluie.

Les spores sont très susceptibles de persister à travers les conditions d'une chaîne d'approvisionnement réelle, selon les chercheurs. À titre de preuve de principe, ils ont testé des dizaines d'articles de produits achetés en magasin pour la présence de spores de Bacillus thuringiensis (Bt), une espèce bactérienne largement utilisée comme pesticide. Ils ont correctement identifié toutes les plantes Bt positives et Bt négatives.

Dans d'autres expériences, l'équipe a construit un bac à sable de 100 mètres carrés et a constaté que la propagation des spores était minime après des mois de vent simulé, de pluie et de perturbations physiques.

Ils ont également confirmé que les spores peuvent être transférées sur des objets de l'environnement. Des spores ont été facilement identifiées sur les chaussures des personnes qui ont traversé le bac à sable, même après avoir marché pendant plusieurs heures sur des surfaces qui n'ont jamais été exposées aux spores. Cependant, les spores n'ont pas pu être détectées sur ces surfaces, ce qui suggère que les objets retiennent les spores sans propagation significative.

Cette caractéristique, a noté l'équipe, pourrait permettre aux spores d'être utilisées pour déterminer si un objet a traversé une zone inoculée. Ils l'ont testé en divisant le bac à sable en grilles, chacune étiquetée avec jusqu'à quatre spores à codes barres différentes. Des individus et une voiture télécommandée ont ensuite navigué dans le bac à sable.

Ils ont découvert qu'ils pouvaient identifier les grilles spécifiques que les objets traversaient avec un minimum de faux positifs ou négatifs, suggérant une application possible comme outil complémentaire pour la médecine légale ou l'application de la loi.

L'équipe a également examiné les implications potentielles pour la vie privée, notant que les technologies existantes telles que les colorants UV, le suivi des téléphones portables et la reconnaissance faciale sont déjà largement utilisées mais restent controversées.

«En tant que scientifiques, notre charge est de résoudre les défis scientifiques, mais en même temps, nous voulons nous assurer que nous reconnaissons les implications sociétales plus larges», a dit Springer. «Nous pensons que les spores à code barres sont les mieux adaptées aux applications agricoles et industrielles et seraient inefficaces pour la surveillance humaine.» Quoi qu'il en soit, l'utilisation et l'adoption de cette technologie devraient se faire en tenant compte des problèmes d'éthique et de confidentialité, ont déclaré les auteurs de l'étude.

Les chercheurs étudient actuellement les moyens d'améliorer le système, y compris la mise au point de mécanismes potentiellement destructeurs dans les spores, la recherche de moyens de limiter la propagation et l'examen de la possibilité d'utiliser les spores pour fournir des informations temporelles sur l'historique de localisation.

«Les épidémies d'agents pathogènes d'origine alimentaire tels que Listeria, Salmonella et E. coli se produisent naturellement et fréquemment», a dit Springer. «Des outils de biologie synthétique simples et sûrs et une connaissance de la biologie de base nous permettent de créer des choses qui ont beaucoup de potentiel pour résoudre des problèmes de sécurité réels.»

Complément. On lira l'article paru dans AAAS.org sur BarcodedMicrobes Could Track Sources of Food Contamination, dont j'ai extrait l'image en titre.