Comprendre avec plus de précision certains processus complexes au sein du corps humain est ce que de nombreux chercheurs tentent de faire depuis longtemps. Certains biologistes étudiant les cellules ont essayé à de nombreuses reprises de construire des enregistreurs de données, par exemple, en liant l’activité d’un gène à celle d’une protéine fluorescente. Leur objectif est de clarifier divers processus, tels que le développement du cancer, le vieillissement cellulaire, les impacts environnementaux ou encore le développement embryonnaire.
À présent, des scientifiques ont réussi à créer un nouvel enregistreur cellulaire qui pourrait bien être l’un des meilleurs dispositifs d’enregistrement, permettant de capturer des données sur l’ADN : le chimiste David Liu et le chercheur Weixin Tang, tous deux de l’Université de Harvard, dévoilent dans Science, deux formes de ce qu’ils appellent un appareil d’enregistrement analogique multi-événements médié par CRISPR, ou simplement, l’appareil CAMERA.
Dans des expériences de preuve de concept, les chercheurs montrent comment l’outil peut enregistrer l’exposition à la lumière, aux antibiotiques et aux infections virales, ou comment il permet de documenter les événements moléculaires internes, et ce, à la fois dans des cellules bactériennes et humaines. « L’étude met en évidence les façons vraiment créatives dont les gens exploitent les découvertes effectuées grâce à CRISPR, pour construire ces voies de synthèse », explique Dave Savage, ingénieur en protéines à l’Université de Californie, Berkeley (USA).
Mais il ne s’agit pas là d’une idée totalement nouvelle. En effet, d’autres chercheurs ont créé des dispositifs d’enregistrement avec des composants CRISPR. Parmi ces chercheurs il y a Timothy Lu du MIT (Massachusetts Institute of Technology), qui notifie cependant que son système était limité aux bactéries et que comparé à CAMERA, il avait besoin de plus de cellules pour enregistrer des données et capter les signaux de manière fiable. Lu affirme que le nouveau dispositif possède « un niveau d’efficacité et de précision qui va au-delà de ce que nous avions fait auparavant ». Lu prévoit de publier une pré-impression décrivant un système similaire à CAMERA.
Il faut savoir qu’à la base, CRISPR était utilisé pour cibler et couper l’ADN double brin. Les cellules du corps réparent naturellement ces coupures, mais lors de ce processus, elles peuvent effectuer des erreurs aléatoires sur le gène en question, le désactivant. Plusieurs groupes de recherche ont utilisé ces erreurs aléatoires comme véritables marqueurs afin de suivre la manière dont les cellules se différencient, d’un état à l’autre.
Cependant, l’idée de Liu était de pouvoir enregistrer les données de manière plus précise. C’est pour cette raison que lui et son équipe ont cherché à enregistrer non seulement le stimulus d’une cellule, mais également quelle était l’intensité de ce dernier, et combien de temps il a duré. Tout cela dans le but de, par exemple, mieux comprendre le développement du cancer. « Nous aimerions être en mesure de voir si les cellules, dans certains cas, écoutent ou ignorent des signaux pour arrêter de croître », explique Liu.
L’une des formes de CAMERA profite d’une particularité des bactéries : les « plasmides » circulaires de l’ADN qui flottent dans leur cytoplasme, se répliquant, mais régulant également leur nombre total. Les chercheurs ont présenté deux plasmides dits « enregistreurs », R1 et R2, qui s’équilibrent à un rapport stable. Ils ont ensuite façonné un plasmide distinct, avec des gènes pour les composants de CRISPR : un ARN dit « guide » (ARNg) qui cible une séquence d’ADN et l’enzyme Cas9, qui coupe la double hélice. Ces gènes sont conçus pour s’actionner, ce qui rend les composants qui ciblent R1 destructeurs, lorsque la cellule subit un stimulus spécifique. Lors d’un test, les chercheurs ont équipé des bactéries d’un dispositif CAMERA activé par antibiotique. En séquençant les plasmides et en documentant comment le rapport R1:R2 avait changé, les scientifiques pouvaient déterminer le temps d’exposition des cellules au médicament.
Un deuxième dispositif CAMERA utilise un Cas9 modifié, qui ne coupe pas la double hélice et qui est lié à une enzyme qui transforme chimiquement la cytosine (l’une des quatre bases de l’ADN), en thymine. Pour enregistrer un événement, l’ARNg transporte ce soi-disant éditeur de base vers un gène dont l’ADN peut être modifié sans nuire à la cellule.
Lors de ces tests, les chercheurs adaptent leur système afin qu’il réponde à des signaux spécifiques. Les chercheurs ont alors décidé de stimuler des cellules humaines pour activer la voie de signalisation Wnt, qui joue un rôle dans le développement des embryons et dans le cancer. En présence de l’activité Wnt, CAMERA s’est alors activé, enregistrant les signaux dans le gène.
CAMERA travaille avec des échantillons contenant une dizaine de cellules, ce qui se rapproche de l’objectif de pouvoir enregistrer et analyser les activités d’une seule et unique cellule. « Si vous regardez la carte d’activité du cerveau, chaque cellule raconte une histoire différente », explique George Church, généticien à Harvard, et dont le propre laboratoire a développé des dispositifs d’enregistrement basés sur CRISPR.
À noter que le dispositif CAMERA possède d’autres caractéristiques qui pourraient être potentiellement utiles, y compris la possibilité d’effacer ses informations enregistrées grâce à des médicaments qui « réinitialisent » le système. CAMERA peut également enregistrer plusieurs signaux différents en même temps, ou l’un après l’autre.
Mais pour que le dispositif puisse véritablement prouver sa valeur dans le domaine de l’enregistrement de l’activité des cellules, les chercheurs doivent à présent prouver qu’il peut également fonctionner avec précision lorsqu’il est sujet à des cellules animales ou humaines, et non uniquement lorsqu’elles sont disposées de manière précise, comme cela était le cas dans l’expérience Wnt de Liu.
