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Ingénierie des mondes microbiens
Une perte de famille a intensifié l'intérêt de Cullen Buie pour les bactéries et les a exploitées pour de bon. 25 avril 2018
Cody O'Laughlin
Sur la myriade d'espèces de bactéries dans le monde (les estimations vont de millions à des milliards, selon à qui vous demandez), les scientifiques n'en ont identifié et catalogué qu'environ 20 000. Et parmi ces espèces, moins de 1% ont été soumises au type de bricolage qui pourrait aider les chercheurs dans le domaine en plein essor du génie génétique à les adapter à d'innombrables fins humaines.
Il y a tellement de choses que nous ne savons pas, dit Cullen Buie, récemment titulaire de la chaire de développement de carrière Esther et Harold E. Edgerton en génie mécanique. Tout le travail est fait sur 1 pour cent de 1 pour cent. Nous ne faisons littéralement qu'effleurer la surface.
Mais le potentiel est énorme : en modifiant le code génétique des bactéries existantes, les chercheurs pourraient, dans un avenir pas si lointain, créer des micro-organismes capables de traiter des maladies, de créer des engrais à la demande ou de nettoyer des marées noires.
Il y a toute cette motivation pour essayer d'exploiter le monde microbien, et les gens se rendent compte: 'Mec, nous sommes limités par nos outils', dit-il. Buie utilise donc son expertise en microfluidique pour créer des dispositifs qui, espère-t-il, pourront vraiment faire la lumière sur toutes sortes de problèmes qu'ils ne pouvaient même pas examiner auparavant. Au MIT, il dirige le Laboratoire pour l'énergie et l'innovation des microsystèmes (LEMI), qui se concentre sur l'électrochimie, la microfluidique et la recherche sur les piles à combustible, dont une grande partie vise à trouver de nouvelles façons de manipuler les bactéries. Il a également cofondé une startup développant un outil microfluidique qui pourrait accélérer considérablement le rythme du génie génétique.
Wow, c'est parfait
Buie n'avait pas initialement entrepris d'étudier les bactéries. Adolescent, il avait l'intention de se lancer dans la médecine, sur les traces de sa sœur aînée, Simone. Mais assister à un camp d'ingénierie pré-universitaire l'a amené à se spécialiser en génie mécanique à Ohio State. Puis, en tant que chercheur diplômé de la National Science Foundation à Stanford, il s'est retrouvé attiré par les énergies renouvelables et les micro et nanotechnologies. Il a donc rejoint le laboratoire du professeur de génie mécanique Juan Santiago, qui venait de recevoir un financement pour un projet de construction de pompes à l'échelle nanométrique pour les piles à combustible des véhicules. J'étais comme, 'Wow, c'est parfait. C'est à la fois une énergie alternative et des micro-échelles », dit-il.
Sous Santiago, Buie s'est concentré sur les pompes électro-osmotiques microfluidiques qui utilisent des champs électriques pour réguler la pression et le débit. Pour sa thèse, il a exploré leur utilisation dans les piles à combustible à basse température. Dans le cadre d'une bourse postdoctorale à l'Université de Californie à Berkeley, Buie s'est tourné vers les piles à combustible microbiennes, qui sont souvent utilisées dans les biocapteurs et les installations de traitement des eaux usées. Les piles à combustible microbiennes contiennent des bactéries attachées à une électrode. Lorsqu'elles reçoivent de la matière organique provenant de sources telles que les eaux usées, les bactéries décomposent les aliments, permettant aux électrons d'être exploités pour créer un courant électrique.
Les propriétés de surface déterminent si les bactéries circulant dans un canal microfluidique pincé sont immobilisées par certains champs électriques. Avec l'aimable autorisation de cullen buie
L'année suivante, le travail bactérien devient personnel. En 2010, peu de temps après avoir rejoint la faculté du MIT en tant que professeur adjoint de génie mécanique, il a reçu un appel téléphonique. Sa sœur -Simone avait été admise dans un hôpital de l'Ohio plus tôt dans la journée avec une fièvre violente, un rythme cardiaque rapide et des douleurs. Elle est décédée quelques heures plus tard d'une septicémie, une condition qui survient lorsque les efforts du corps pour combattre les bactéries courantes comme Staphylococcus aureus (staphylocoque) et Streptocoques déclencher une inflammation entraînant une défaillance des organes.
Buie a été dévasté. Alors qu'il traversait son chagrin, il a commencé à penser à la mort de sa sœur d'un point de vue scientifique. C'était un peu choquant pour moi que des gens meurent encore d'infections bactériennes, dit-il. Je travaillais déjà sur les piles à combustible microbiennes, et lorsque cela s'est produit, cela a piqué ma curiosité à propos des bactéries et de toutes les différentes choses qu'elles peuvent faire, à la fois bonnes et mauvaises.
À l'époque, le LEMI venait tout juste de démarrer et ses premiers étudiants et postdoctorants empruntaient des voies de recherche disparates. Un projet s'est concentré sur de nouvelles façons de fabriquer des surfaces superhydrophiles (absorbant l'eau) et superhydrophobes (hydrofuges) - des techniques qui pourraient être utiles dans l'ingénierie navale - tandis qu'un autre s'est concentré sur la conception d'un nouveau type de batterie qui utilise la dynamique des fluides pour garder ses composants séparé.
Il y a tellement de choses que nous ne savons pas. Tout le travail est fait sur 1 pour cent de 1 pour cent. Nous ne faisons littéralement qu'effleurer la surface.
Pendant ce temps, d'autres chercheurs du LEMI se sont concentrés sur le développement d'outils microfluidiques qui utiliseraient un processus appelé diélectrophorèse pour trier les bactéries en fonction des propriétés électriques de leurs cellules, qui incluent la polarisation, l'accumulation de charge à leur surface. Pour ce projet, l'équipe de Buie a utilisé des canaux microfluidiques de la largeur d'environ cinq cheveux humains, avec des points de goulot d'étranglement d'environ un dixième de cette taille au milieu. Ils ont poussé des cellules de Pseudomonas aeruginosa bactéries à travers les canaux et les champs électriques appliqués. Au fur et à mesure qu'ils augmentaient la tension, différentes souches bactériennes glissaient à travers le canal tandis que d'autres s'arrêtaient au goulot , où le champ électrique était le plus intense.
L'endroit précis où une cellule s'est arrêtée - et l'intensité du champ électrique à ce moment-là - a montré aux chercheurs à quel point la surface de la bactérie était polarisée, fournissant des indices sur sa pathogénicité. Des souches plus pathogènes de Pseudomonas aeruginosa sont plus susceptibles de se polariser à des tensions plus basses, ce qui a conduit Buie à penser que la recherche pourrait être appliquée pour aider à diagnostiquer des conditions bactériennes comme la septicémie à temps pour sauver des vies.
Cependant, des méthodes plus pratiques existaient déjà pour déterminer si les bactéries sont pathogènes. Maintenant, Buie se concentre sur l'utilisation de la diélectrophorèse pour connecter l'information génétique aux propriétés physiques des bactéries. Si, par exemple, des gènes sont éliminés d'une souche bactérienne peu étudiée, tout changement de polarisation qui en résulte peut fournir des informations sur ce que pourrait être l'utilité de ces gènes ou sur la zone de la cellule qu'ils pourraient affecter, dit-il.
De l'extérieur vers
En 2013, Buie s'était concentré sur la recherche d'un moyen d'accélérer considérablement le génie génétique. Les chercheurs insèrent depuis longtemps différents types d'ADN dans les cellules pour essayer de les amener, par exemple, à combattre les agents pathogènes ou à métaboliser le dioxyde de carbone pour aider à atténuer le changement climatique. Mais les outils pour délivrer l'ADN étranger n'avançaient pas aussi vite que les stratégies pour exploiter les cellules manipulées, a-t-il appris après avoir rencontré un représentant de la Defense Advanced Research Projects Agency lors d'une conférence sur la biologie synthétique.
Cody O'Laughlin
Pour introduire l'ADN dans les cellules, de nombreux chercheurs s'appuient sur l'électroporation, une méthode qui utilise des impulsions électriques finement réglées pour ouvrir temporairement les pores des membranes cellulaires. Mais le processus nécessite que les chercheurs connaissent le champ électrique exact qui ouvrira les pores sans tuer la cellule. Trouver ce champ spécifique et le bon milieu de croissance pour une souche bactérienne donnée peut prendre des années. Et une fois cela fait, le processus de préparation, de pipetage et de zapping électrique de chaque échantillon est extrêmement lent. Buie estime qu'un chercheur qualifié ne peut électroporer que 20 à 50 échantillons par heure, ce qui limite considérablement le nombre d'expériences qu'un laboratoire peut mener.
Ainsi, avec l'aide d'une subvention de la DARPA, Buie a commencé à travailler sur un moyen plus rapide d'électroporer les cellules - et finalement, il s'attaquerait également à l'automatisation du processus. Son équipe - qui comprenait les post-doctorants du LEMI Paulo Garcia et Jeffrey Moran ainsi que l'étudiant diplômé Zhifei Ge, PhD '16 - a utilisé une configuration similaire à celle des précédentes expériences de diélectrophorèse de Buie, mais ils ont ajouté au canal microfluidique un marqueur fluorescent qui brillerait en présence d'ADN. Les canaux étaient remplis de bactéries et, à mesure que les champs électriques augmentaient autour du goulot d'étranglement, les pores de la membrane s'ouvraient, laissant passer le marqueur. Une fois à l'intérieur, il a réagi avec l'ADN de la bactérie et a fait briller la cellule, fournissant un indicateur visible du champ électrique nécessaire pour ouvrir les pores d'une souche particulière.
Une fois que les chercheurs savent cela, ils sont toujours confrontés à la tâche laborieuse de zapper manuellement chaque cellule pour insérer l'ADN souhaité. Ainsi, Buie, -Garcia et l'assistant de recherche diplômé du LEMI Rameech -McCormack, SM '17, ont également conçu une pipette qui applique le champ électrique correct lorsque les cellules circulent à travers des canaux microfluidiques chargés électriquement intégrés dans sa pointe. Grâce à leur startup, appelée Kytopen, Buie et Garcia (qui est le PDG de Kytopen) conçoivent un système automatisé équipé de 96 pipettes d'électroporation simultanées ou plus, chacune pouvant traiter un échantillon toutes les huit à 10 secondes. En permettant d'insérer de l'ADN dans des cellules bactériennes jusqu'à 10 000 fois plus rapidement, l'appareil pourrait permettre aux chercheurs de parcourir rapidement des millions de variations sur une expérience de génie génétique. (Kytopen fait partie des premières entreprises soutenues par The Engine, le fonds de capital-risque/accélérateur du MIT pour les startups en phase de démarrage travaillant sur des technologies à fort potentiel mais à longs délais de développement. Voir Investing in Tech That’s Worth the Wait , mars/avril 2018.)
La prochaine étape de Buie consiste à tester son appareil d'électroporation sur des organismes que les scientifiques ne sont pas encore capables de modifier génétiquement, et il commence par des bactéries dans la bouche. Le Forsyth Institute, un organisme de recherche en biotechnologie à but non lucratif, a isolé des centaines de variétés de bactéries buccales humaines. Buie s'est associé à Christopher Johnston de Forsyth, un chercheur en microbiologie qui développe des méthodes pour esquiver les systèmes de défense cellulaire qui rejettent l'ADN étranger. Ensemble, ils visent à rendre au moins 200 souches bactériennes disponibles pour le génie génétique.
S'ils réussissent à augmenter de manière significative le nombre d'organismes que les scientifiques peuvent manipuler, la recherche pourrait un jour être utilisée pour concevoir des bactéries pour des applications importantes dans les domaines de la santé, de l'énergie, de l'agriculture et des sciences de l'environnement.
Buie espère que son travail permettra à d'autres chercheurs d'aborder des questions plus difficiles. Les gens arrêteront de dire 'Je ne peux pas travailler sur ce bogue' parce qu'ils ne peuvent pas faire de génétique, dit-il. Ils diront: 'Pourquoi n'essayons-nous pas cela?'