Biofutur, le mensuel européen des biotechnologies

De la métagénomique au génome de référence

Agnès Vernet — 2013-06-14T03:00:00Z

Une nouvelle approche renversante propose de reconstruire des génomes d'espèces rares à partir des métagénomes d'une population.

Données de base pour une écologie contemporaine et la compréhension de l'évolution du vivant, les génomes de référence ne sont pas forcément tous simples à obtenir. Certaines espèces sont incultivables, d'autres d'une abondance trop faible dans l'environnement. Des chercheurs de l'université australienne du Queensland et de l'université danoise d'Aalborg proposent une approche métagénomique pour pallier ces problèmes, reprenant l'idée d'assembler les génomes partiels d'une population. Plus qu'un simple alignement par similarité, cette méthode est indépendante de la composition des séquences et s'appuie sur une classification des couvertures différentielles. En clair, le séquençage répété des séquences, dit « séquençage en profondeur », permet de construire des métagénomes, c'est-à-dire un ensemble de génomes propres à un environnement donné. En combinant ces métagénomes issus d'un même milieu, donc contenant les mêmes populations, dans des conditions différentes, il est possible de reconstruire des génomes individuels quasi-complets.
Les biologistes ont ainsi étudié la boue d'un bioréacteur avec ou sans phénol chaud. Ils ont obtenu des séquences relatives à 31 génomes bactériens, dont des espèces rares. 12 d'entre eux ont pu être assemblés en chromosomes complets ou presque. Quatre appartiennent au phylum TM7, un groupe bactérien très rare. Les chercheurs proposent ainsi le génome le plus complet jamais publié pour ce phylum. Une démonstration terriblement efficace pour une méthode dont on attend les suites.

Albertsen M et al. (2013) Nat Biotechnol 31, 533-41

Un vecteur pour sauter des étapes

Agnès Vernet — 2013-05-30T03:00:00Z

En permettant un clonage et une intégration simultanés, le vecteur pOSIP donne un coup d'accélérateur à l'ingénierie des procaryotes.

Véritables usines vivantes, les bactéries sont fréquemment modifiées pour produire des protéines d'intérêt. Bien que courante, cette opération nécessite plusieurs réactions et des contrôles à chaque étape. Pour simplifier l'ingénierie moléculaire mise en jeu, de nombreux protocoles ont été développés. Citons, par exemple, le système CRIM (conditional-replication, integration and modular), qui permet le clonage simultané de différentes séquences uniques grâce à des sites d'insertion dérivés du bactériophage lambda.
En se basant sur cette approche, des chercheurs des universités Stanford, aux États-Unis, et d'Adélaïde, en Australie, ont développé une méthode qui fusionne les étapes de clonage et d'intégration dans le chromosome procaryote. Cette « clonetegration » reprend les éléments d'insertion du plasmide CRIM et les associe au gène codant une intégrase au sein d'un seul vecteur : le « one-step integration plasmid » (pOSIP). L'étape de surexpression de la protéine d'intérêt dans un plasmide multicopie avant l'intégration dans le chromosome procaryote devient donc inutile. Il est ainsi facile de cloner des protéines létales pour l'hôte quand elles sont présentes en plusieurs copies. Sachant que l'ensemble du protocole ne demande pas plus d'une nuit et que le plasmide sera envoyé gratuitement pour tout projet de R&D, on peut prévoir un succès de laboratoire.

St-Pierre F. et al. (2013) ACS Synth Biol,
doi:10.1021/sb400021j

Nouvelle mise en lumière du cerveau

Agnès Vernet — 2013-05-03T03:00:00Z

Un nouveau colorant augmente la résolution de l'imagerie cérébrale in vivo.

Au centre de l'essor des neurosciences, il y a les progrès de l'imagerie cérébrale. Mais les outils disponibles pour étudier le système nerveux central souffrent souvent d'une faible résolution. L'amélioration de la qualité des images passe donc par le développement de nouveaux colorants, plus brillants et compatibles avec les techniques 3 dimensions, comme la microscopie biphotonique. Des chimistes de l'Université Claude Bernard, à Lyon, ont ainsi synthétisé un nouveau chromophore : Lem-PHEA.
Imaginé en collaboration avec l'Institut des neurosciences de l'Université Joseph Fourier, à Grenoble, et des chimistes de l'Université de Nantes, il réunit toutes les caractéristiques d'un colorant de haute valeur : il fluoresce dans le proche infrarouge – la gamme de longueurs d'ondes qui traversent la peau –, il est soluble dans les milieux biologiques, sa synthèse n'est pas onéreuse et il est éliminé par les reins sans que l'on retrouve de résidus toxiques dans le foie. Enfin, il peut absorber deux photons, donc permettre la microscopie tridimensionnelle.
Utilisé in vivo sur des souris, Lem-PHEA semble avoir démontré sa supériorité sur les chromophores classiques, tels que la Rhodamine B et les cyanines : il révèle le système vasculaire cérébrale avec une résolution de l'ordre du micromètre.

Massin J et al. (2013) Chem Sci,
doi :10.1039/C3SC22325F

Système vasculaire cérébral de souris en microscopie photonique avec Lem-PHEA.
© B. van der Sanden et F. Appaix (Institut des neurosciences de Grenoble)

La réparation de l'ADN en direct

Agnès Vernet — 2013-04-30T03:00:00Z

La fluorescence de molécule unique photoactivable permet d'étudier quantitativement l'activité de deux enzymes cruciales pour la réparation de l'ADN.

La complexité du vivant est telle que même des mécanismes fondateurs de la biotechnologie restent mystérieux. C'est le cas de la réparation de l'ADN. Étudiée in vitro sous tous les angles, son organisation moléculaire in vivo est encore méconnue. Des chercheurs de l'université britannique d'Oxford et de l'université canadienne McGill proposent une technique basée sur la fluorescence de molécule unique pour combler cette lacune scientifique.
Les biologistes ont créé une ADN polymérase et une ADN ligase fusionnées avec le fluorophore photoactivable mCherry. Exprimées chez Escherichia coli, les deux enzymes chimères ont été suivies en microscopie haute résolution par photoactivation (PALM : photoactivation localization microscopy). Ces enzymes étant très peu sensibles à l'ADN intact, elles ne s'immobilisent que lorsqu'elles œuvrent à corriger des anomalies. Le système permet de détecter les réactions uniques sans intermédiaire. Les biologistes ont ainsi pu calculer les taux de réaction, les temps de recherche de substrats ou les coefficients de diffusion à l'échelle de la cellule. Ils ont aussi observé le nombre, la localisation et la répartition des tâches liées à la réparation de l'ADN au sein d'E. coli.
Grâce à ce protocole, ils ont analysé la séquence des événements impliqués dans la réparation d'un dommage provoqué par du méthanesulfonate de méthyle – responsable de cassures simple-brin. Ils ont mesuré que la polymérase interagit pendant 2,1 secondes avec d'ADN et que la ligase a besoin de 2,5 secondes pour ses opérations de suture. In vivo, les deux enzymes passent le plus clair de leur temps – plus de 80 % – à rechercher les substrats libres – intermédiaires de la réparation –, mutagènes.

Uphoff S et al. (2013) Proc Natl Acad Sci USA,
doi:10.1073/pnas.1301804110

Détecter les méthylations de l'ARN

Agnès Vernet — 2013-04-24T03:00:00Z

En utilisant un nucléoside analogue, des chercheurs de l'Institut médical Howard Hughes proposent une nouvelle méthode d'exploration de la maturation des ARN.

La méthylation des acides nucléiques n'est pas qu'une affaire d'ADN, elle concerne aussi l'ARN. Mise en évidence en 2010, cette modification post-transcriptionnelle semble limitée aux ARN non codants, qu'ils soient de transfert (ARNt) ou ribosomiques (ARNr), chez les procaryotes comme chez les eucaryotes. Or ce phénomène reste très méconnu. Quel est son rôle biologique ? Quelle est son ampleur ? Ces questions sont fondamentales et les outils pour y répondre font défaut. Pour pallier cette situation, des chercheurs de l'Institut médical Howard Hughes, à Salt Lake City, proposent une méthode baptisée Aza-IP (5-azacytidine–mediated RNA immunoprecipitation) pour identifier les modifications réalisées par les ARN méthyletransférases.
Cette technique exploite le lien covalent que forme l'enzyme avec un analogue de la cytidine (5-azacytidine) pour déceler les cibles par immunoprécipitation.
L'application de cette méthode à deux méthyltransférases humaines, DNMT2 (DNA methyltransferase 2) et NSun2 (NOP2/Sun RNA methyltransferase), dans des cellules HeLa révèle de nouveaux ARN non codants méthylés. Les biologistes ont aussi observé une très haute fréquence des conversions de cytosine en guanine sur les résidus nucléotidiques ciblés par les deux enzymes. Ce qui suggère qu'il existe un mécanisme d'identification de cytidines spécifiques à méthyler.
Ce travail offre la possibilité d'identifier de nouvelles pistes à explorer afin de mettre à nu le rôle biologique de la méthylation des ARN. En utilisant d'autres nucléosides analogues, les chercheurs pensent aussi être en mesure de détecter de nouvelles enzymes impliquées dans les modifications post-transcriptionnelles de l'ARN.

Khoddami V, Cairns BR (2013) Nat Biotechnol,
doi:10.1038/nbt.2566

Un robot qui a du flair

Safi Douhi — 2013-04-08T13:44:47Z

Des chercheurs japonais ont créé un système guidé par les déplacements d'un papillon afin de créer un robot capable de détecter les odeurs.

Noriyasu Ando et ses collaborateurs de l'Université de Tokyo développent un algorithme comportemental de détection des odeurs. Pour cela, les scientifiques nippons ont créé un robot piloté par un papillon, le Bombyx mori. Posé sur un capteur de mouvements, ce dernier réagit aux stimuli phéromonaux et déplace le robot.
Grâce à ce dispositif, les chercheurs espèrent créer des robots détecteurs d'odeurs (fuites de gaz, de produits chimiques...).

L'article complet est à lire dans le n° 342 de Biofutur, actuellement en kiosque

Nanosécurité alimentaire

Agnès Vernet — 2013-04-08T03:00:00Z

En associant une enzyme à une nanoparticule, des chercheurs proposent une nouvelle arme antibactérienne pour l'industrie agroalimentaire.

Les bactéries du genre Listeria sont le cauchemar des industriels de l'agroalimentaire. Contrairement aux autres bactéries ou contaminants biologiques de l'alimentation, elles n'ont pas peur du foid et se développent très bien à 4 °C. Dans cette famille, on distingue particulièrement L. monocytogenes qui peut notamment être responsable de fausses couches si elle est ingérée par des femmes enceintes.
Pour lutter contre ce pathogène, une équipe de l'Institut polytechnique américain Rensselaer, dans l'État de New York, a imaginé incorporer des enzymes lytiques issues de phages des Listeria à un film alimentaire. Pour cela, ils isolent l'endolysine Ply500 produite par des bactériophages spécifiques de la bactérie. Puis l'enzyme est liée de façon covalente à des nanoparticules de silice et l'ensemble est intégré dans un film de polyméthacrylate. Cette méthode a permis de détruire la totalité des germes présents dans une culture concentrée en L. inocua, cousine non pathogène de L. monocytogenes. Le film contenant l'enzyme lytique a aussi décontaminé une laitue iceberg porteuse de 10⁴ unités formant une colonie de L. inocua en seulement 24 heures.
Cette approche est, de plus, modulaire : il est possible d'attacher des enzymes spécifiques d'autres pathogènes aux nanoparticules et de développer des films protégeant contre plusieurs contaminants biologiques. Les chercheurs estiment aussi que l'utilisation de nanoparticules d'amidon est parfaitement compatible avec leur méthode, ce qui permettrait de réduire les coûts et de proposer une poudre antibactérienne comestible afin d'« assaisonner » les viandes.

Solanki K et al. (2013) Sci Rep, doi:10.1038/srep01584

Les aliments séquencés en haut débit

Agnès Vernet — 2013-04-02T03:00:00Z

Comment trouver de la viande de cheval dans des lasagnes si on ne la cherche pas ? Grâce à la métagénomique à haut débit.

De récents scandales l'ont parfaitement illustré : les process et les relations de l'industrie agro-alimentaire sont désormais si complexes qu'il est très difficile de savoir ce que contiennent réellement les aliments qu'elle produit. Il existe des outils biotechnologiques mais la plupart s'appuient sur la technique de la PCR et ne détectent que ce que l'on cherche.
Thomas Hankeln, de l'université allemande de Mayence, est à l'origine d'une nouvelle approche basée sur le séquençage à haut débit associé à une analyse bio-informatique, spécialement conçue pour détecter et quantifier les différentes sources d'ADN dans un échantillon alimentaire. Baptisée All-Food-Seq, cette méthode s'appuie sur des analyses de génomes complets afin de mettre en évidence les séquences spécifiques des espèces. Grâce à la collaboration avec le bio-informaticien Bertil Schmidt, ces résultats sont ensuite comparés à toutes les bases de données métagénomiques disponibles. Cette technique permet donc d'identifier et de quantifier, par PCR quantitative, tous les contaminants biologiques. Elle permet également d'améliorer la recherche d'allergènes.
Les chercheurs de l'université de Mayence travaillent actuellement avec les autorités de santé allemande et suisse afin de valider le protocole d'All-Food-Seq, tout en préparant l'article de preuve de concept indispensable pour établir scientifiquement leur travail.

Source : Université de Mayence

Une biopuce pour décoder le cerveau

Safi Douhi — 2013-03-14T04:00:00Z

Enregistrer l'activité cérébrale sans interférence grâce à une puce biocompatible directement implantée dans le cerveau ? C'est désormais possible !

D'après une étude publiée dans la dernière édition de la revue britannique Nature Communications, des chercheurs de l'Institut des neurosciences des systèmes (Inserm-Université d'Aix-Marseille) ont mis au point une puce à déposer au contact du cerveau. Constituée de matériau organique et de transistors microscopiques, elle capte et enregistre l'activité électrique du cerveau en évitant le brouillage que peuvent engendrer des électrodes simplement posées sur la peau. 100 % biocompatible, le système permettrait notamment d'étudier l'épilepsie et de la dépister plus facilement.

Lire la suite sur Information Hospitalière

La maturation protéique vue à l'échelle de l'atome

Agnès Vernet — 2013-03-04T04:00:00Z

L'adaptation de la résonance magnétique nucléaire à la culture de cellules humaines permet de suivre la maturation des protéines.

Observer les repliements d'une protéine avec une résolution atomique ? Oui, c'est possible. Des chercheurs de l'université italienne de Florence et de l'université britannique d'Oxford ont réussi à suivre l'évolution de la conformation d'une superoxyde dismutase (SOD) dans des cellules humaines en culture par résonance magnétique nucléaire (RMN).
Les modifications post-traductionnelles avaient déjà été étudiées par RMN dans des cellules bactériennes. Mais leurs particularités dans l'étape finale de la synthèse protéique eucaryote – et notamment l'interaction avec les protéines chaperonnes – restaient inaccessibles à cette approche. Trois éléments semblent limiter ce transfert technologique : la nécessité de travailler avec une haute densité de marquage isotopique, et donc de réussir d'importants niveaux de transfections, le maintien de conditions compatibles avec la vie dans les tubes à RMN et la réduction du temps d'acquisition des données afin de produire des résultats avec une résolution suffisante pour pouvoir les interpréter au niveau atomique.
En travaillant dans des conditions quasi-physiologiques, les chercheurs ont pu suivre en RMN la maturation de la SOD et sa relation avec la protéine chaperonne CCS (Copper Chaperone for SOD1). Leurs résultats permettent de décrire au niveau atomique la liaison des monomères de SOD avec le zinc avant la formation d'homodimères de SOD, puis l'acquisition d'un atome de cuivre, alors qu'on croyait ce dernier indispensable à l'assemblage des homodimères. Les chercheurs démontrent ainsi que la CCS peut accompagner l'association en dimères selon deux mécanismes, dépendants ou non du cuivre.
Cette démonstration repousse les limites de l'analyse par RMN et élargit le champs des études structurales et conformationnelles.

Banci L et al. (2013) Nat Chem Biol, doi:10.1038/nchembio.1202

Représentation en ruban de la SOD dimérique. En gris, les atomes de zinc, en marron, ceux de cuivre.
© Dcrjsr via Wikimedia Commons