La détection précoce des maladies infectieuses peut être la clé d’un traitement réussi, mais souvent, nous ne réalisons pas que nous sommes infectés avant l’apparition des symptômes. Et si notre corps pouvait détecter la présence d’agents pathogènes infectieux avant l’apparition de la maladie ?
Les ingénieurs en biologie synthétique recherchent des moyens d’y parvenir.
La biologie synthétique est la conception et la création de nouveaux éléments et systèmes biologiques, ainsi que la refonte de systèmes biologiques existants et naturels à des fins spécifiques.
Les capteurs d’ADN bactérien contiennent des programmes génétiques qui leur permettent de détecter des organismes spécifiques, tels que des agents pathogènes humains, dans des échantillons biologiques ou environnementaux. Crédit : Laboratoire Venturelli, Université du Wisconsin.
En gardant à l’esprit la détection précoce des maladies, les ingénieurs en biologie synthétique de l’Université du Wisconsin ont conçu et développé des bactéries qui recherchent et détectent les fragments d’ADN provenant d’agents pathogènes infectieux. Étant donné que l’ADN pathogène chez une personne peut être détecté avant l’apparition des symptômes, ce système promet une détection précoce de maladies mortelles telles que la septicémie, où une détection rapide est essentielle au succès du traitement.
Les travaux ont été dirigés par Ophelia Venturelli, Ph.D., professeure adjointe de biochimie, de bactériologie et de génie chimique et biologique. Cela se fait en laboratoire. Ce laboratoire est spécialisé dans le développement de systèmes de contrôle microbien pour résoudre des problèmes en médecine, en agriculture et en environnement. Un domaine de recherche clé est la manière dont le microbiome humain influence la santé et la maladie et comment il peut être modifié pour traiter divers troubles. Les travaux ont été codirigés par le boursier postdoctoral Yu-Yu Cheng et l’étudiant diplômé Zhengyi Chen.
Pour concevoir le capteur d’ADN bactérien, l’équipe de Venturelli a tiré parti des capacités naturelles des bactéries en général Bacillus subtilis ,B. subtilis) pour obtenir de l’ADN de l’environnement.
Une série de gènes y sont intégrés B. subtilis génome. Ce « programme génétique » contient des régions dont les séquences d’ADN spécifiques correspondent à celles de l’organisme cible. Les chercheurs appellent ces régions « cassettes » car elles sont conçues pour modifier facilement (introduire et extraire) les séquences d’ADN de divers organismes ciblés pour l’identification. La région cassette fait partie du programme génétique qui est activé lorsque B. subtilis Trouve la séquence cible et l’introduit dans la cellule. Lors de l’activation, le programme dirige une série d’événements qui aboutissent à un signal fluorescent indiquant que le capteur bactérien a détecté l’organisme cible.
Dans l’une des premières expériences, l’équipe a inséré un morceau d’ADN provenant d’une bactérie et coli Entrez dans la zone de la cassette et testez la capacité du capteur à détecter les bactéries et coli L’ADN est ajouté à la solution. Quand et coli L’ADN est inséré dans la cellule qui rencontre son partenaire. et coli « Cassettes » d’ADN. Certaines protéines bactériennes échangent alors les deux séquences, activant ainsi le programme génétique. Le programme génétique dirige la production de protéine fluorescente verte (GFP) qui crée un puissant signal fluorescent de signalisation et coli L’ADN est présent dans l’échantillon.
Schéma d’un protocole expérimental dans lequel un capteur bactérien est mélangé à de l’ADN cible. Après 10 heures d’incubation, la solution a été placée sur des plaques de culture cellulaire. Un signal vert fluorescent indique que le capteur d’ADN bactérien a identifié positivement l’ADN capturé comme étant l’ADN de l’organisme cible. Crédit : Cheng YY et al. Commune propre. 10 avril 2023, Licence internationale Creative Commons Attribution 4.0,
Montrer que leur capteur ADN est capable de détecter et coli L’équipe DNA du Wisconsin a testé la capacité du système à identifier les agents pathogènes humains. Des expériences ultérieures ont montré que B. subtilis Les capteurs d’ADN peuvent être programmés pour détecter avec succès diverses bactéries pathogènes pour l’homme. pathogènes entériques humains, Salmonella typhimurium ,S. Tipimurium) et les agents pathogènes de la peau humaine et des voies respiratoires Staphylococcus aureus ,S. aureus) faisaient partie de ceux détectés avec succès B. subtilis capteur ADN.
“La capacité du capteur à détecter les agents pathogènes humains ouvre la possibilité de nombreuses approches diagnostiques et thérapeutiques innovantes”, a déclaré Germont Chen, Ph.D., directeur de programme à l’Institut national d’imagerie biomédicale et de biotechnologie, qui a financé la recherche. « Par exemple, ce système peut être utilisé pour diagnostiquer et traiter rapidement des maladies infectieuses à l’aide d’antibiotiques spécifiques plutôt que d’antibiotiques à large spectre. Ceci est particulièrement bénéfique dans les infections à haut risque telles que la septicémie, où le temps passé à attendre les résultats de la culture bactérienne réduit rapidement les chances de succès du traitement.
Le laboratoire s’intéresse particulièrement au microbiome – les millions de bactéries qui vivent dans l’intestin humain et dans tout le corps et interagissent avec les cellules humaines en bonne santé et en maladie.
Venturelli a expliqué l’utilisation potentielle de capteurs sur le microbiome humain. « Ces travaux ouvrent la possibilité de concevoir des capteurs qui vivent de manière inoffensive dans l’écosystème du corps humain et agissent comme gardiens des maladies. Par exemple, la présence d’ADN provenant de bactéries nocives se développant dans les intestins peut être détectée. B. subtilis Les capteurs permettent un traitement précoce en envoyant des signaux précoces sur le développement d’une maladie.
Après avoir conçu avec succès le capteur d’ADN, l’équipe se concentre désormais sur les améliorations nécessaires pour faire évoluer la technologie vers des applications pratiques. Cela inclut également une efficacité accrue B. subtilis Capture l’ADN de l’environnement et augmente l’efficacité de la détection de l’ADN pathogène à faibles concentrations. Les objectifs à long terme incluent le développement de programmes génétiques plus complexes permettant aux bactéries sensibles d’identifier les agents pathogènes, ainsi que la création des protéines thérapeutiques nécessaires pour combattre rapidement les infections.
L’étude a été rapportée dans la revue Nature Communications1. Ce travail a été soutenu par la subvention R01EB030340 de l’Institut national d’imagerie biomédicale et de biotechnologie et par la subvention HR0011-19-2-0002 de la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).
,Thomas Johnson, Ph.D. écrit par.
2024-07-14 03:56:05
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