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L'antibiotique tétracycline (Tc) et son dérivé l'anhydrotetracycline (aTc) sont largement utilisés en biotechnologie et en biologie synthétique. Ces deux molécules influencent l'activité des gènes. La Tc inhibe généralement la machinerie cellulaire pour la production de protéines. L'aTc est utilisée pour libérer des gènes spécifiques. Cela se produit indirectement : l'aTc se lie à une molécule attachée au gène correspondant et l'empêche d'être lu par la machine de production de protéines cellulaires. La connexion entraîne le détachement du complexe du gène et la production de la protéine codée par celui-ci peut commencer.
Cependant, l'utilisation du Tc et de l'aTC comme régulateurs dans les expériences de culture cellulaire présente également des inconvénients : les deux molécules restent dans la culture et ne peuvent pas être retirées. Cela signifie que les processus qui les régissent ne peuvent plus être arrêtés.
Une équipe de scientifiques dirigée par Mustafa Khammash, du département des biosystèmes de l'ETH Zurich à Bâle, vient de le découvrir : comme de nombreux autres produits chimiques, la Tc et l'aTc sont naturellement sensibles à la lumière. Lorsque la lumière UVA les frappe, elles perdent leur capacité à inhiber l'activité des gènes. Les scientifiques de l'ETH Zurich en tirent maintenant parti pour faire de la Tc et de l'aTc des régulateurs de transcription et de croissance contrôlables dynamiquement. Leurs travaux ont récemment été publiés dans la revue Nature Communications.
Une réglementation plus simple
«L'utilisation de molécules naturellement photosensibles comme l'aTc et le Tc nous facilite la vie», explique Armin Baumschlager, chercheur postdoctoral du groupe de Mustafa Khammash et auteur principal de l'étude correspondante. Il n'est désormais plus nécessaire d'insérer des gènes supplémentaires qui servent de médiateurs à la sensibilité à la lumière dans les cellules utilisées. Par conséquent, les groupes de recherche non spécialisés peuvent également travailler avec des réseaux optogénétiques.
Le contrôle de l'activité des gènes par la lumière est connu en biologie sous le nom d'optogénétique. Il est possible d'amener des cellules, par exemple la bactérie E. coli, à effectuer une réaction spécifique, telle que la production d'une protéine, en réponse à des impulsions lumineuses. Outre les substances telles que la Tc ou l'aTc, des enzymes photosensibles peuvent également être utilisées à cette fin. Dans le passé, les scientifiques ont créé des réseaux génétiques complexes dans lesquels ont été incorporés les gènes de ces enzymes. Mais elles présentent également un inconvénient : elles ne restent actives que si elles sont exposées à la lumière pendant une longue période.
L'utilisation de substances photosensibles permet ainsi d'allumer et d'éteindre un réseau. Il est activé en ajoutant une certaine quantité d'aTc à la culture cellulaire. Si la culture est éclairée aux UVA après un certain temps, le processus peut être arrêté rapidement et complètement. «L'inactivation de l'aTc par la lumière est comparable à l'élimination de la substance du système», a déclaré Armin Baumschlager.
Si l'on veut relancer le processus, on ajoute à nouveau de l'aTc à la culture cellulaire. «De tels cycles peuvent être répétés plusieurs fois sans endommager les cellules», explique le chercheur. «Dans cette étude, nous avons montré que nous sommes capables de très bien réguler l'aspect temporel de l'activation et de l'inactivation.»
Nouveaux schémas de contrôle
L'exploitation de la sensibilité à la lumière des molécules pour contrôler les processus biologiques permet aux chercheuses et chercheurs de développer des schémas de contrôle totalement nouveaux pour la biotechnologie. Les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich s'efforcent actuellement de les appliquer à plus grande échelle. Jusqu'à présent, ils et elles n'ont testé le système que dans des éprouvettes. Ils et elles prévoient maintenant des expériences avec des bioréacteurs d'un volume de quelques litres. D'autres molécules photosensibles, comme d'autres antibiotiques, pourraient également être utilisées comme régulateurs.
La méthode pourrait être utilisée pour la production de certaines protéines utiles sur le plan thérapeutique, telles que des anticorps ou des vitamines précieuses, en contrôlant de manière optimale leur production par l'ajout ou l'inactivation de l'aTc. «Notre nouvelle méthode devrait être intéressante pour l'industrie pharmaceutique car elle est beaucoup plus facile à manipuler et à développer», déclare Armin Baumschlager.