Lumière bleue, lumière rouge

C'est une vanité de type monstre de Frankenstein, mais le biologiste Todd H. Rider '91, SM '91, SM '94, PhD '95, n'a jamais hésité à l'idée qu'il pourrait être un savant fou. En fait, il l'embrasse. Ses modèles ont été les scientifiques aux cheveux sauvages des films, ceux avec des aspirations renégats et une réticence à se tenir debout sur une cérémonie méthodologique. Il emprunte même leurs lignes. Avant une expérience qui l'obligeait à actionner un interrupteur, il a crié : Donnez vie à ma création !

Je pense que j'ai surpris beaucoup de gens, dit-il maintenant.

Le natif de l'Arkansas, âgé de 35 ans, est spécialisé dans la traque de quelque chose que beaucoup de gens trouvent plus terrifiant que le monstre de Frankenstein : des germes et des virus mortels.

Rider et son équipe du Lincoln Laboratory ont attiré l'attention du pays en juillet pour leurs travaux sur un nouveau système de détection d'agents pathogènes potentiellement mortels, tels que l'anthrax ou la maladie du légionnaire, qui ont longtemps été redoutés à part entière mais sont devenus encore plus effrayants pour leur possible utilisation dans les armes biologiques. Connu sous le nom d'analyse cellulaire et de notification des risques et des rendements d'antigènes, ou Canary en abrégé, le détecteur développé par Rider utilise des globules blancs - la première ligne de défense du corps contre les maladies - pour tester des substances pour la présence de certains agents pathogènes.

Contrairement aux systèmes de détection actuels qui utilisent des réactions d'amplification de l'ADN qui peuvent prendre une heure ou plus, la technique de Rider fournit des informations en quelques secondes. Avec le public frotté à la menace de guerre biologique et de bioterrorisme, et les villes mises en quarantaine en raison de virus à propagation rapide comme le SRAS, le potentiel du détecteur à fournir des lectures sur place pourrait conduire à une variété d'utilisations de première réponse, de la lecture mucus fourni par un visiteur des urgences mystérieusement malade pour tester de la poudre blanche peu de temps après qu'elle s'envole d'une enveloppe. Rider pense également que le détecteur peut être adapté pour extraire des particules de l'air, afin de déterminer si des armes biologiques ont été lancées sur le champ de bataille.

Ajuster une réaction naturelle

La nature, dit Rider, démontre déjà que les globules blancs détectent les agents pathogènes. Lorsque les anticorps d'une telle cellule se lient à un virus ou à une bactérie, ils déclenchent un signal calcique. Cela amène la cellule à aller sur le sentier de la guerre et à combattre les envahisseurs. Rider croyait que s'il pouvait trouver un moyen simple de détecter le signal de calcium, il pourrait développer un capteur d'agent pathogène.

C'est intelligent, déclare le Dr David Relman, professeur à l'Université de Stanford qui étudie la détection des agents pathogènes. J'aime l'idée de coopter un système biologique qui est déjà câblé pour une réponse rapide.

Mais lorsque Rider a commencé à travailler sur l'idée, peu de temps après son arrivée au Lincoln Lab en 1997, les gens n'étaient pas aussi réceptifs. Beaucoup de gens au Lincoln Lab ne l'avaient pas pris très au sérieux, dit-il. En plus de cela, Lincoln Lab n'avait pas de laboratoire de biologie. Ainsi, le jeune scientifique - 28 ans à l'époque, avec juste un an dans le monde réel après neuf ans au MIT - a été contraint de trouver un espace de travail sur le campus jusqu'à ce qu'il puisse concevoir un globule blanc qui révélerait la réaction du calcium.

Rider a trouvé cet espace dans le laboratoire du professeur de biologie Jianzhu Chen. Chen, qui fait des recherches en immunologie, a également aidé Rider à obtenir un financement précoce de la foule des capes et des poignards qui a financé une grande partie du développement de Canary. La U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), une source de financement affiliée à l'armée américaine pour des projets scientifiques, s'intéressait à la détection des agents pathogènes, et l'équipe de Rider s'est rendue à Washington pour faire ce qui a finalement été une présentation réussie.

Avec des ressources suffisantes derrière lui, Rider pourrait commencer à étudier une protéine qu'il avait longtemps considérée comme prometteuse : l'équorine, qui est dérivée de la méduse rougeoyante Victoire égale et a une capacité bien documentée à produire de la lumière en réponse au calcium. Rider a utilisé l'électricité pour faire des trous dans les globules blancs extraits d'une souris, puis a infusé ces cellules avec les instructions génétiques de la méduse pour la fabrication d'aequorine. La théorie était que lorsque les anticorps sur les surfaces des cellules se verrouillaient sur leurs agents pathogènes, ils déclencheraient un signal de calcium, qui activerait l'équorine et ferait briller les cellules en bleu. Cette lumière bleue, bien que non visible à l'œil nu, pourrait être mesurée par un luminomètre, qui enverrait les résultats à un ordinateur, qui générerait une lecture.

À la mi-1998, Rider avait programmé les cellules pour émettre de la lumière en réponse à la phosphorylcholine-ovalbumine, un substitut chimique sûr pour les virus et les bactéries. Mais le principe était le même, et ce premier succès a donné au concept la crédibilité dont Rider avait besoin pour continuer.

Lui et son équipe sont ensuite retournés au Lincoln Lab et ont commencé à acheter des anticorps pathogènes, en s'appuyant sur la panoplie de bactéries et de virus pathogènes étudiés dans d'autres laboratoires. Après de nombreux essais et erreurs, la biologiste Martha Petrovick a développé une nouvelle version d'un outil de génie génétique connu sous le nom de vecteur d'ADN qui a permis à Rider et à son équipe de produire des globules blancs avec des anticorps sur leurs surfaces qui répondaient à des agents pathogènes spécifiques. Il s'agit notamment de la fièvre charbonneuse, de la peste bubonique, de la souche pathogène de E. coli , la chlamydia, la variole et une demi-douzaine d'autres virus et bactéries redoutés pour leurs effets potentiellement négatifs sur la santé publique ou leur utilisation dans des armes bioterroristes.

Mais l'équipe était toujours confrontée à un problème crucial : les globules blancs et les agents pathogènes avaient du mal à se localiser pendant les tests. La réaction prenait trop de temps et le signal du luminomètre était trop faible. Nous avons dû trouver un moyen de rendre la réaction plus rapide et plus apparente, explique James Harper, PhD '98, l'employé du Lincoln Lab qui a dirigé l'ingénierie matérielle pour Canary.

La solution consistait à utiliser une centrifugeuse pour faire tourner le matériau cellulaire d'un échantillon vers le fond de son récipient, ajouter les globules blancs et les faire tourner sur le dessus de l'échantillon, forçant les deux à entrer en contact étroit l'un avec l'autre. Ce qui avait pris des minutes prenait maintenant des secondes.

Dans beaucoup de ces systèmes, la limitation est le transport de masse », explique Duane Lindner '72, directeur adjoint des programmes de chimie et de biologie aux laboratoires nationaux Sandia à Livermore, en Californie, qui développe ses propres systèmes de détection d'agents pathogènes. Il faut beaucoup de temps pour que ces grandes choses se superposent. Leur travail a mis en évidence à quel point les systèmes peuvent être rapides.

Rapide et simplePeut-être ?

C'est cette vitesse qui incite les entreprises militaires et privées à s'intéresser au potentiel du nouveau détecteur. Même avant les attaques terroristes du 11 septembre 2001, l'armée s'était intéressée à quelque chose qui pourrait analyser l'air pour les armes biologiques. Les agences de santé publique étaient également avides de quelque chose qui pourrait vérifier rapidement une expédition de nourriture pour E. coli. Les inquiétudes récentes concernant les mystérieuses poudres blanches potentiellement chargées d'anthrax envoyées par la poste aux États-Unis et la peur des virus à propagation rapide, comme le SRAS, ont rendu les intervenants d'urgence et les cliniciens aussi intéressés par la détection des agents pathogènes que l'armée.

La technologie utilisée aux Canaries est déjà presque adaptable à bon nombre de ces utilisations, disent ses développeurs, qui pensent que le prototype actuel d'une centrifugeuse, d'un luminomètre et d'un ordinateur pourrait être inclus dans un kit de test sur le terrain de la taille d'une valise, à un coût matériel compris entre 7 000 $ et 10 000 $.

Nous le concevons intentionnellement pour qu'il soit très facile à utiliser, dit Rider. Certains des systèmes actuels nécessitent beaucoup de formation. Nous voulons qu'il soit utilisable par les soldats de l'armée, le personnel médical, les secouristes. Vous allez simplement ajouter l'échantillon à la cellule et voir s'il brille.

Rider développe également ce qu'il appelle de manière ludique un snorfler géant pour aspirer les particules de l'air dans des endroits sensibles et les tester. Les cellules de détection utilisées dans l'appareil peuvent désormais survivre jusqu'à deux semaines avant de devoir être remplacées. Bien que Rider appelle les cellules étonnamment robustes, d'autres disent qu'elles ne sont pas assez robustes, en particulier pour un objectif majeur de défense civile, un système qui collectera de manière autonome des échantillons de l'air et les testera pour les agents pathogènes.

D'autres encore pensent que son processus est dépassé par la concurrence. Les technologies de détection basées sur l'ADN, bien qu'elles ne soient pas aussi rapides que Canary, seront finalement capables de tester simultanément un large éventail d'agents pathogènes et même de révéler les caractéristiques génétiques de ces organismes qui ne peuvent pas être facilement identifiés. Canary se concentre trop sur des organismes spécifiques, explique Calvin Chue, chercheur au Center for Civilian Biodefense Strategies de Johns Hopkins. Si je vous donnais un agent pathogène inconnu, vous devrez effectuer tous vos tests rapides spécifiques. Puisqu'il peut s'agir d'une dizaine de passages ou plus, l'analyse n'est plus aussi rapide. Même à la fin de votre course, vous pourriez toujours avoir une inconnue entre les mains, et vous ne pouvez pas supposer qu'elle est bénigne.

Cependant, Rider espère qu'à l'avenir, Canary sera capable de faire tout type d'analyse que les technologies concurrentes basées sur l'ADN peuvent faire. En attendant, Harper, pour sa part, pense que les avantages de pouvoir faire une lecture rapide sont évidents.

L'ADN est bon pour chercher l'aiguille dans la botte de foin quand vous ne savez pas ce qu'est l'aiguille, dit Harper. Mais en termes de sensibilité et de vitesse, il ne semble pas qu'il y ait quoi que ce soit qui puisse rivaliser avec Canary. Il a le potentiel, au chevet du patient, de déterminer si une personne a une infection bactérienne ou virale, avant même qu'elle ne se lève pour partir [pour] l'hôpital. Ce n'est pas bon pour regarder ce qui se passe dans mille gènes différents, mais c'est bon pour vous donner la réponse la plus rapide et la plus sensible.

En effet, alors qu'une grande partie de la motivation initiale de la DARPA pour le financement du projet provenait de son intérêt à utiliser les propriétés réactives de différentes cellules pour déterminer les caractéristiques d'agents pathogènes inconnus, plutôt que de tester des échantillons pour ceux qui sont déjà connus, l'agence reste satisfaite de la technologie . La DARPA est l'un de ces endroits où vous n'êtes pas limité par un seul thème, explique Alan Rudolph, le scientifique qui supervise le projet de l'agence.

C'est une bonne chose pour Rider, qui a eu du mal à rester cantonné à un seul thème dans des contextes académiques ou de recherche. Son travail de doctorat, en fait, impliquait des réacteurs à fusion, mais il a migré à travers plusieurs mineurs, y compris la biomédecine, tout en le complétant. Il s'est tourné vers la microbiologie après que sa thèse eut démontré des problèmes avec divers réacteurs à fusion, ce qui le rend, admet-il, un peu impopulaire dans le secteur des réacteurs.

J'ai bouleversé certaines personnes, alors j'ai décidé de changer de domaine, dit Rider. J'ai eu la chance d'avoir un diplôme en biomédecine.

Le Dr Frankenstein pourrait être d'accord.

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