Un établi pour la conception de virus
Des chercheurs de l'ETH ont développé une plateforme technologique qui leur permet de modifier de manière ciblée des bactériophages et de les tailler sur mesure. Gr?ce à cette technique, les thérapies phagiques contre les agents pathogènes dangereux sont désormais à portée de main.
Les bactériophages (en abrégé : phages) sont des virus qui attaquent spécifiquement les bactéries et les tuent. Ils sont très nombreux dans la nature. C'est justement parce qu'ils sont spécialisés dans une seule espèce de bactérie que les chercheurs espèrent pouvoir traiter de manière ciblée certaines maladies bactériennes à l'aide de phages. Aujourd'hui déjà, l'industrie alimentaire, par exemple, utilise ces virus pour détruire naturellement les agents pathogènes dans les aliments.
Optimiser génétiquement les virus et les adapter ainsi sur mesure à certaines utilisations reste toutefois un défi et prend beaucoup de temps. Il est particulièrement difficile d'obtenir des phages pour lutter contre les bactéries dites Gram-positives comme Staphylocoque à modifier.
Modifier les phages de manière ciblée
Mais aujourd'hui, une nouvelle ère pourrait s'ouvrir dans l'utilisation des bactériophages, car une équipe de chercheurs dirigée par Martin Loessner, professeur de microbiologie alimentaire à l'ETH Zurich, vient de publier dans la revue scientifique site externePNAS a présenté une plateforme technologique d'un nouveau genre. Celle-ci permet aux scientifiques de modifier génétiquement les phages de manière ciblée, de les doter de fonctions supplémentaires de leur choix et enfin de leur donner vie dans une "mère porteuse" bactérienne - une cellule de Listeria sans transformation cellulaire.
Le nouvel atelier de phage permet de créer très rapidement de tels virus, et la "bo?te à outils" est hautement modulaire : Les scientifiques peuvent ainsi créer presque n'importe quel bactériophage à des fins diverses et avec une multitude de fonctions différentes.
"Auparavant, il était presque impossible de modifier le génome d'un bactériophage", explique Loessner. De plus, les méthodes étaient extrêmement inefficaces. Par exemple, un gène n'était intégré dans le génome existant que dans une fraction des phages. Isoler le phage modifié devenait donc souvent une recherche d'aiguille dans une botte de foin.
"Auparavant, nous devions choisir parmi des millions de phages ceux qui portaient les caractéristiques souhaitées. Désormais, nous pouvons créer dès le départ des virus identiques, les tester dans un délai raisonnable et les modifier si nécessaire", souligne Loessner.
Planifier les virus sur ordinateur
C'est le collaborateur de Loessner, Samuel Kilcher, qui a ouvert la voie à cette percée. Ce spécialiste de la virologie moléculaire a utilisé des méthodes issues de la biologie synthétique pour planifier le génome d'un bactériophage sur la planche à dessin et l'assembler en éprouvette à partir de fragments d'ADN. Des fonctionnalités nouvelles et supplémentaires, telles que des enzymes permettant de dissoudre l'enveloppe cellulaire bactérienne, ont également été intégrées dans le génome du phage. De plus, Kilcher peut supprimer des gènes qui confèrent à un phage des propriétés indésirables, comme l'intégration dans le génome bactérien ou la production de toxines cellulaires.
Pour redonner vie aux particules de phage à partir de l'ADN artificiel, le génome a été transformé en formes sphériques de la bactérie, sans paroi cellulaire mais viables. Listeria (Listeria de forme L) sont introduites. Ces cellules bactériennes produisent ensuite, à partir du plan de construction génétique, tous les composants du phage souhaité et assurent le bon assemblage des virus.
Les chercheurs ont également constaté que les Listeria sphériques ne produisent pas seulement leurs propres phages spécifiques, mais aussi ceux qui peuvent infecter d'autres bactéries. En général, un h?te ne produit que ses virus spécifiques. Les listeria en forme de L conviennent donc comme incubateur de bactériophages presque universel.
Si les Listeria sont ensuite amenées à éclater, les bactériophages sont libérés et peuvent être isolés et multipliés pour leur utilisation en thérapie ou en diagnostic.
Seuls les phages virulents sont adaptés
"Une condition centrale pour l'utilisation de bactériophages synthétiques efficaces est que leur génome ne puisse pas s'intégrer dans celui de l'h?te", souligne Kilcher. Si cela se produit, le virus ne représente plus de danger pour la bactérie. Gr?ce à la nouvelle méthode, les chercheurs ont pu facilement reprogrammer de tels phages intégratifs afin qu'ils perdent leur capacité d'intégration et redeviennent ainsi intéressants pour des applications antibactériennes.
Les deux chercheurs ne s'inquiètent guère d'une éventuelle résistance des phages. Et même s'il y en avait, comme par exemple lorsqu'une bactérie modifie ses structures de surface pour empêcher l'arrimage du virus, la nouvelle technologie permettrait de développer rapidement un phage approprié contre lequel une bactérie n'a pas encore développé de résistance.
Les chercheurs estiment également que le risque de dissémination involontaire est faible. C'est justement parce que les bactériophages, qu'ils soient naturels ou synthétiques, sont hautement spécifiques de l'h?te qu'ils ne peuvent pas survivre longtemps sans leur h?te. Cette grande spécificité empêche également les bactériophages de se tourner vers une nouvelle bactérie h?te. "S'adapter à la structure de surface d'un autre h?te prendrait beaucoup de temps dans la nature", explique Loessner.
L'application pratique se rapproche
Gr?ce à leur technologie, l'équipe de Loessner a fait un grand pas vers l'utilisation de bactériophages synthétiques pour la thérapie, le diagnostic ou dans l'industrie alimentaire. Les chercheurs surmontent ainsi également les restrictions liées à l'utilisation de phages naturels. "Notre bo?te à outils pourrait aider à exploiter le potentiel des phages", explique Loessner. Les chercheurs ont déposé une demande de brevet pour leur technologie. Ils espèrent maintenant trouver des preneurs de licence qui produiront des phages pour les thérapies et les diagnostics.
Référence bibliographique
Kilcher S, Studer P, Muessner C, Klumpp J, Loessner MJ. Rebooting cross-genus de génomes de bactériophages synthétiques customisés dans des bactéries de forme L. PNAS 2018 janvier, 115 (3) 567-572. site externedoi : 10.1073/pnas.1714658115