Des bactéries dotées d'une fonction d'enregistrement saisissent l'état de santé de l'intestin

Notre intestin abrite d'innombrables bactéries, qui nous aident à digérer les aliments. Mais que font exactement ces micro-organismes à l'intérieur de l'organisme ? Quels enzymes produisent-ils, et quand ? Et comment les bactéries métabolisent-elles les aliments bénéfiques pour la santé qui nous aident à éviter les maladies ?

Pour obtenir des réponses à ces questions, des chercheurs du département de science et d'ingénierie des biosystèmes de l'ETH Zurich à Bâle ont modifié des bactéries de manière à ce qu'elles fonctionnent comme des enregistreurs de données sur l'activité des gènes. En collaboration avec des scientifiques de l'Hôpital universitaire de Berne et de l'Université de Berne, ils ont maintenant testé ces bactéries sur des souris. Il s'agit d'une étape importante vers l'utilisation future des bactéries capteurs en médecine pour des applications telles que le diagnostic de la malnutrition et la compréhension des régimes alimentaires qui conviennent à un individu.

Le système immunitaire devient un enregistreur de données

La fonction d'enregistreur de données a été développée au cours des dernières années par des chercheurs dirigés par Randall Platt, professeur de génie biologique à l'ETH Zurich. Pour ce faire, ils ont utilisé le mécanisme CRISPR-Cas, qui est un type de système immunitaire présent naturellement chez de nombreuses espèces bactériennes. Si les bactéries sont attaquées par des virus, elles peuvent incorporer des fragments de l'ADN ou de l'ARN viral dans une section de leur propre génome appelée "matrice CRISPR". La bactérie peut ainsi "se souvenir" des virus avec lesquels elle a été en contact, ce qui lui permet de combattre plus rapidement une future attaque virale.

Pour utiliser ce mécanisme comme un enregistreur de données, les chercheurs ne se sont pas préoccupés des fragments d'ADN des intrus viraux, mais se sont concentrés sur autre chose : le mécanisme peut être exploité de telle sorte que les bactéries incorporent des fragments de leur propre ARN messager (ARNm) dans le réseau CRISPR. Les molécules d'ARNm sont le plan que les cellules utilisent pour fabriquer des protéines. Ainsi, les fragments d'ARNm peuvent révéler quels gènes sont utilisés pour fabriquer des protéines destinées à exécuter des fonctions cellulaires.

Pour rendre la méthode efficace, les scientifiques ont introduit le réseau CRISPR de l'espèce bactérienne Fusicatenibacter saccharivorans dans une souche de la bactérie intestinale Escherichia coli, considérée comme sûre pour l'homme et disponible comme probiotique. Le transfert comprenait le plan d'une enzyme appelée transcriptase inverse, qui est capable de transcrire l'ARN en ADN. Cette enzyme transcrit également l'information contenue dans l'ARNm sous forme d'ADN, qui, avec les protéines associées à CRISPR, est nécessaire pour incorporer le fragment d'ADN dans le réseau CRISPR.

Obtenir des informations sans perturber le corps

Ensuite, des chercheurs de l'hôpital universitaire de Berne et de l'université de Berne, dirigés par Andrew Macpherson, ont administré ces bactéries intestinales modifiées à des souris en laboratoire. Ils ont prélevé des échantillons de matières fécales des animaux et isolé l'ADN bactérien, qu'ils ont ensuite analysé en utilisant le séquençage de l'ADN à haut débit. Grâce à une évaluation bioinformatique ultérieure, réalisée et évaluée en collaboration, ils ont été en mesure d'analyser la masse de données et de reconstruire l'information génétique des fragments d'ARNm. Les scientifiques ont ainsi pu déterminer, par des moyens non invasifs, à quelle fréquence les bactéries intestinales fabriquent une molécule d'ARNm donnée pendant leur séjour dans l'organisme, et donc quels gènes sont actifs.

"Cette nouvelle méthode nous permet d'obtenir des informations directement de l'intestin, sans avoir à perturber les fonctions intestinales", explique Andrew Macpherson, professeur et directeur du service de gastroentérologie de l'hôpital universitaire de Berne. Cette méthode présente donc des avantages majeurs par rapport aux endoscopies, qui peuvent être désagréables pour les patients et impliquent toujours une perturbation des fonctions intestinales, puisque les intestins doivent être vides pour l'examen.

Déterminer le statut alimentaire

"Les bactéries sont très douées pour enregistrer les conditions environnementales et adapter leur métabolisme à de nouvelles circonstances telles que les changements de régime alimentaire", explique M. Macpherson. Lors d'expériences avec des souris auxquelles on a donné différents aliments, les chercheurs ont pu montrer comment les bactéries ont adapté leur métabolisme à l'apport nutritif respectif. Un rapport sur ces résultats a été publié dans le dernier numéro de la revue Sciencecall_made.

Les chercheurs aimeraient poursuivre le développement de cette méthode afin de pouvoir un jour étudier des patients humains pour voir comment l'alimentation influence l'écosystème intestinal et comment cela affecte la santé. À l'avenir, ils espèrent pouvoir utiliser cette méthode pour déterminer le statut alimentaire des enfants ou des adultes. Grâce à ces informations, les médecins pourront diagnostiquer la malnutrition ou décider si un patient a besoin de compléments alimentaires.

En outre, les chercheurs ont pu reconnaître les réponses inflammatoires dans l'intestin. Ils ont administré la bactérie détectrice à des souris souffrant d'une inflammation intestinale ainsi qu'à des souris saines. Ils ont ainsi pu identifier le profil d'ARNm spécifique des bactéries intestinales qui passent en mode inflammation.

Distinguer différentes bactéries

La recherche actuelle publiée dans la revue Science comprend un développement scientifique qui permet aux chercheurs de distinguer deux souches de bactéries l'une de l'autre sur la base de "codes-barres" génétiques individuels. À l'avenir, cela permettra d'étudier chez les animaux de laboratoire la fonction des mutations génétiques des bactéries. Les scientifiques pourront ainsi comparer le profil de l'ARNm de différentes bactéries, par exemple des bactéries normales par rapport à des bactéries mutantes. Grâce à l'enregistreur de données moléculaires, il est possible pour la première fois de déterminer ce profil, au fur et à mesure de leur passage dans l'intestin et non pas seulement lorsque les bactéries atteignent les matières fécales, de sorte que les informations montrent ce qui se passait lorsque les bactéries vivaient encore dans l'intestin.

Une autre piste envisageable serait de perfectionner le système pour distinguer les profils ARN des bactéries dans l'intestin grêle et le gros intestin. En outre, la fonction d'enregistrement des données pourrait être incorporée à d'autres types de bactéries. Cela ouvrirait la porte à des applications dans le domaine de la surveillance environnementale. Une analyse des bactéries du sol d'un champ de culture, par exemple, permettrait de déterminer si des herbicides ont été utilisés.

Une application sûre possible

Les chercheurs ont déposé des demandes de brevet pour la méthode elle-même et pour les profils d'ARN caractéristiques qui sont des signatures de certaines molécules nutritionnelles et des indicateurs de la santé intestinale.

Avant que les bactéries détectrices puissent être utilisées en dehors du laboratoire - y compris chez les patients humains - les scientifiques doivent encore clarifier diverses questions de sécurité et de droit, car les bactéries ont été génétiquement modifiées. "En principe, il est possible d'utiliser des micro-organismes vivants génétiquement modifiés comme agents diagnostiques ou thérapeutiques en médecine, pour autant que certaines conditions soient remplies", explique M. Platt. Il est possible, par exemple, de modifier les bactéries senseurs pour qu'elles aient besoin de certains nutriments et ne puissent donc survivre qu'à l'intérieur de l'intestin d'un patient. Dès que ces bactéries particulières quittent l'intestin, elles meurent. L'intégration de mécanismes de sécurité appropriés est la prochaine étape vers l'application de la méthode en médecine.