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10 découvertes 2011

CRISPR: l'arme secrète des bactéries

MICROBIOLOGIE Université Laval
Par Marine Corniou - 07/12/2011


Comment les bactéries se défendent-elles contre les virus? Des chercheurs ont percé une partie du mystère. Cette découverte, qui pourrait aider à fabriquer de meilleurs fromages, a été à la base de la mise au point des ciseaux génétiques CRISPR-cas9.

Les bactéries vivent dans un monde impitoyable. Elles subissent les assauts incessants de milliards de virus – des bactériophages – qui leur livrent une guerre sans merci. Pour se défendre, certaines ont mis au point un système ingénieux. Lorsqu’elles sont infectées, elles dérobent un morceau d’ADN à leur attaquant et l’intègrent à leur propre génome. En cas de deuxième agression, elles reconnaissent cette séquence génétique et tuent le virus en sectionnant son ADN à cet endroit. Comme si elles avaient trouvé le moyen de se vacciner!

C’est ce qu’a découvert l’équipe de Sylvain Moineau, professeur au département de biochimie, microbiologie et bioinformatique de l’Université Laval, en étudiant Streptococcus thermophilus, une bactérie utilisée dans l’industrie laitière pour fabriquer du yaourt ou certains fromages. Son système de défense, qui se retrouve en fait chez la majorité des espèces de bactéries, pourrait même contribuer à contrer la résistance aux antibiotiques.

Pour mieux comprendre cette découverte, publiée en novembre 2010 dans la revue Nature, revenons quelques années en arrière. En 1987, des microbiologistes japonais remarquent des sé­quen­ces répétées de nucléotides (ces «lettres» qui constituent le code génétique) dans l’ADN de nombreuses bactéries. Ces séquences, identiques entre elles, sont entrecoupées de morceaux d’ADN variables d’une bactérie à l’autre. C’est comme un collier de perles blan­ches entre lesquelles se seraient glissées des billes de formes et de couleurs diverses. Ces séquences répétées (les perles blanches) sont nommées CRISPR, acronyme anglais qui signifie «regroupement de courtes régions palindromiques régulièrement espacées». À quoi servent-elles? Personne ne le sait.

Mais en 2007, l’équipe de l’Université Laval, en collaboration avec des cher­cheurs de l’entreprise agroalimentaire danoise Danisco, découvre leur rôle dans la lutte contre les bactériophages. Lorsque des bactéries sont attaquées par des virus, certaines survivent et intègrent dans leur propre ADN un petit morceau de celui de l’assaillant. Les «billes multicolores» qu’on retrouve entre les CRISPR sont donc des bouts d’ADN étranger. «Elles constituent en quelque sorte la mémoire des attaques passées», explique Sylvain Moineau.

Ce sont aussi des armes impa­rables lorsque les assaillants récidivent. Mais par quel mécanisme la bactérie se défend-elle alors? C’est ce qu’a voulu comprendre l’équipe de l’Université Laval. Les chercheurs ont donc exposé des Streptococcus thermophilus à un bactériophage portant le numéro 2972. Quand celui-ci attaque, il se pose à la surface de la bactérie et injecte son ADN à l’intérieur. La bactérie est alors forcée de produire de nouveaux virus; en 30 minu­tes, elle peut en fabriquer une centaine qui la tuent en général en se libérant. Mais parmi les rares survivantes, certaines récupèrent un bout de l’ADN viral dans leur CRISPR et deviennent immunisées. En exposant ces bactéries une seconde fois au même envahisseur, les chercheurs ont constaté, comme prévu, qu’elles savaient lui résister. Ils ont récupéré l’ADN du virus entré dans la bactérie et l’ont analysé. Surprise! Il était sectionné exactement à l’endroit où se trouvait le morceau volé par la bactérie au premier assaillant.

«C’est simple: la bactérie intègre ce morceau dans son génome et le met sur sa liste noire. Lorsqu’un virus similaire revient, elle le reconnaît et le coupe, ce qui détruit le virus», résume Josiane Garneau, la professionnelle de recherche qui a mené les expériences avec l’aide, entre autres, de la postdoctorante Manuela Villion.

L’équipe a passé des soirées et des week-ends à analyser plus de 900 colonies de bactéries!

Après avoir mis au jour ce mécanisme de défense, les scientifiques ont exposé les bactéries non pas à des virus, mais à des plasmides. Ces petits anneaux d’ADN sont en quelque sorte des gènes supplémentaires, des bonus que les micro-organismes s’échangent. «Nous avons démontré que certaines bactéries inté­graient dans leur CRISPR des portions de plasmides», précise Sylvain Moineau. En d’autres termes, elles les traitent comme des ennemis. Et lorsqu’elles les rencontrent une seconde fois, elles les coupent! Dans une expérience, les bactéries ont été confrontées à un plasmide possédant un gène de résistance à un antibiotique, le chloramphénicol. Celles qui étaient immunisées contre le plasmide n’ont jamais pu acquérir ce gène, alors que les autres sont devenues résistantes à l’antibiotique.

Cette découverte pourrait avoir un jour des applications en médecine, car la moitié des espèces bactériennes possèdent un système CRISPR. «Plus les bactéries ont de séquences CRISPR, moins elles sont résistantes aux antibiotiques», confirme Josiane Garneau.

Mais déjà, le système CRISPR pourra être très utile à l'industrie laitière.

« Parce qu'ils tuent les bactéries Streptococcus thermophilus, utilisées dans la transformation du lait en fromage suisse, les phages peuvent faire baisser la production de 10%. Ils peuvent aussi altérer le goût des fromages », souligne Sylvain Moineau. Grâce à ces travaux, à chaque fois qu’un phage créera des ravages dans une usine, on pourra sélectionner et utiliser des bactéries immunisées. «Le CRISPR “vaccine” les bactéries avec une efficacité de 99,999%», ajoute Sylvain Moineau. De quoi rassurer les amateurs de fromage!

Ont aussi participé à l'étude: Marie-Ève Dupuis et Alfonso Magadan.

Illustration: Michel Rouleau




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