Des chercheurs visualisent l'activité des ciseaux génétiques CRISPR
Une nouvelle méthode permet d'observer avec précision la reconnaissance des gènes
Des scientifiques de l'université de Leipzig, en collaboration avec des collègues de l'université de Vilnius en Lituanie, ont mis au point une nouvelle méthode pour mesurer les plus petites torsions et les plus petits couples de molécules en l'espace de quelques millisecondes. Cette méthode permet de suivre en temps réel et avec la plus haute résolution la reconnaissance des gènes par les complexes protéiques CRISPR-Cas, également connus sous le nom de "ciseaux génétiques". Grâce aux données obtenues, le processus de reconnaissance peut être caractérisé et modélisé avec précision afin d'améliorer la précision des ciseaux génétiques. Les résultats obtenus par l'équipe du professeur Ralf Seidel et de Dominik Kauert de la Faculté de physique et des sciences de la terre ont été publiés dans la revue Nature Structural and Molecular Biology.
Lorsqu'une bactérie est attaquée par un virus, elle peut se défendre grâce à un mécanisme qui repousse le matériel génétique introduit par l'intrus. Les complexes protéiques CRISPR-Cas en sont la clé. Ce n'est qu'au cours de la dernière décennie que leur fonction dans l'immunité adaptative des micro-organismes a été découverte et élucidée. Avec l'aide d'un ARN intégré, les complexes CRISPR reconnaissent une courte séquence dans l'ADN de l'agresseur. Le mécanisme de reconnaissance des séquences par l'ARN a depuis été utilisé pour désactiver et modifier sélectivement des gènes dans n'importe quel organisme. Cette découverte a révolutionné le génie génétique et a déjà été récompensée en 2020 par le prix Nobel de chimie décerné à Emmanuelle Charpentier et Jennifer A. Doudna.
Il arrive cependant que les complexes CRISPR réagissent à des segments de gènes qui diffèrent légèrement de la séquence spécifiée par l'ARN. Cela entraîne des effets secondaires indésirables dans les applications médicales. "Les causes de ce phénomène ne sont pas encore bien comprises, car le processus n'a pas pu être observé directement jusqu'à présent", explique Dominik Kauert, qui a travaillé sur le projet en tant qu'étudiant en doctorat.
Des processus à l'échelle nanométrique suivis en détail
Pour mieux comprendre le processus de reconnaissance, l'équipe dirigée par le professeur Ralf Seidel et Dominik Kauert a tiré parti du fait que la double hélice d'ADN de la séquence cible est déroulée pendant la reconnaissance pour permettre l'appariement des bases avec l'ARN. "La question centrale du projet était donc de savoir si le déroulement d'un morceau d'ADN de seulement 10 nanomètres (nm) de long pouvait être suivi en temps réel", explique Dominik Kauert.
Pour observer le processus de déroulement en détail, les scientifiques ont dû le rendre visible au microscope. Pour ce faire, l'équipe s'est appuyée sur les acquis de la nanotechnologie de l'ADN, qui peut être utilisée pour créer n'importe quelle nanostructure tridimensionnelle de l'ADN. En utilisant cette technique dite de l'origami d'ADN, les chercheurs ont construit un bras de rotor d'ADN de 75 nm de long avec une nanoparticule d'or attachée à son extrémité. Dans l'expérience, le déroulement de la séquence d'ADN de 2 nm d'épaisseur et de 10 nm de longueur a été transféré à la rotation de la nanoparticule d'or le long d'un cercle d'un diamètre de 160 nm - ce mouvement peut être amplifié et suivi à l'aide d'une configuration spéciale de microscope.
Grâce à cette nouvelle méthode, les chercheurs ont pu observer la reconnaissance de la séquence par le complexe CRISPR Cascade presque paire de base par paire de base. De manière surprenante, l'appariement des bases avec l'ARN n'est pas énergétiquement avantageux, ce qui signifie que le complexe n'est lié de manière instable que pendant la reconnaissance de la séquence. Ce n'est que lorsque la séquence entière est reconnue que la liaison est stable et que l'ADN est ensuite détruit. S'il s'agit de la "mauvaise" séquence cible, le processus est interrompu.
Ces résultats peuvent aider à sélectionner des séquences d'ARN appropriées
Le fait que le processus de reconnaissance produise parfois des résultats incorrects est dû à sa nature stochastique, c'est-à-dire à des mouvements moléculaires aléatoires, comme les chercheurs ont pu le démontrer. "La reconnaissance des séquences est guidée par des fluctuations thermiques dans l'appariement des bases", explique Kauert. Les données obtenues ont permis de créer un modèle thermodynamique de la reconnaissance des séquences qui décrit la reconnaissance de segments de séquences divergents. À l'avenir, cela devrait permettre de mieux sélectionner les séquences d'ARN qui ne reconnaissent que la séquence cible souhaitée, optimisant ainsi la précision des manipulations génétiques.
Comme les nanorotors conçus sont universels dans leur aptitude à mesurer les torsions et les couples dans les molécules uniques, ils peuvent également être utilisés pour d'autres complexes CRISPR-Cas ou biomolécules.
Les travaux ont été financés par le Conseil européen de la recherche et la Fondation allemande pour la recherche et réalisés en collaboration avec le groupe de recherche du professeur Virginijus Siksnys de l'université de Vilnius en Lituanie, qui a isolé et fourni les complexes CRISPR utilisés.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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