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.
