En combinant la technique d’imagerie MERFISH avec la microscopie élargie, les scientifiques ont ouvert une nouvelle voie pour étudier les bactéries au niveau de la cellule unique. Cette nouvelle réalisation permet des observations plus approfondies sur la manière dont les bactéries activent différents types de gènes en réponse à leur environnement, fournissant ainsi des informations sur le comportement bactérien, la résistance aux antibiotiques et les stratégies d’infection.
Comment fonctionnent les bactéries
Comment les bactéries – qu’elles soient bénéfiques pour notre corps ou dangereuses et pathogènes – coordonnent-elles leurs activités ? Une étude récente a fourni de nouvelles perspectives en combinant la microscopie génomique avancée avec une technique révolutionnaire pour suivre les gènes que les bactéries activent dans différentes conditions et environnements. Récemment publiée dans la revue Science, cette avancée devrait porter la recherche bactérienne vers de nouveaux sommets.
Le Dr Jeffrey Moffitt et ses collègues du programme de médecine cellulaire et moléculaire (PCMM) du Boston Children's Hospital (États-Unis) ont utilisé MERFISH, une technique d'imagerie moléculaire que Moffitt a contribué à développer, pour analyser l'ARN messager (ARNm) dans des milliers d'échantillons bactériens individuels à la fois. Cette méthode permet non seulement de cartographier l’expression des gènes à grande échelle, mais révèle également comment les facteurs spatiaux influencent l’activation des gènes bactériens – ce qui n’a jamais été fait auparavant.
Les défis de l'imagerie bactérienne
Cependant, l’équipe a d’abord dû surmonter un défi majeur : les ARN bactériens, connus sous le nom de transcriptomes bactériens, sont densément regroupés à l’intérieur de minuscules cellules, ce qui les rend difficiles à distinguer et à imager.
En empruntant une technique développée en laboratoire appelée « microscopie à expansion », l’équipe a intégré les spécimens dans un hydrogel spécial. Ils ont immobilisé l’ARN dans le gel et ont fait varier la solution tampon chimique qu’il contenait. Cela provoque l’expansion du gel, augmentant la taille de l’échantillon de 50 à 1000 fois. À ce stade, tous les ARN bactériens deviennent digestibles individuellement.
Que signifie l’expression des gènes bactériens ?
Jusqu’à présent, les scientifiques mesuraient généralement le comportement bactérien en faisant la moyenne de populations bactériennes entières. La capacité d’identifier les gènes utilisés par les bactéries individuelles pourrait apporter de nouvelles connaissances sur les interactions bactériennes, la virulence, les réponses au stress, la résistance aux antibiotiques, la formation de biofilms, comme dans les cathéters, et bien plus encore.
« Nous disposons désormais des outils nécessaires pour répondre à des questions intéressantes sur les interactions hôte-microbe et microbe-microbe », explique Moffitt. Nous pouvons étudier comment les bactéries communiquent et rivalisent pour les positions spatiales, et déterminer la structure des communautés bactériennes. Nous pouvons également nous interroger sur la façon dont les bactéries pathogènes régulent leur expression génétique lorsqu'elles infectent les cellules de mammifères.
Bacterial-MERFISH peut également fournir des informations sur les bactéries difficiles à cultiver dans des boîtes de Pétri. Désormais, les scientifiques n’auront plus besoin de les cultiver, mais pourront simplement les photographier dans leur environnement naturel.
Aperçu des stratégies de survie bactérienne au niveau de la cellule unique
Certaines des expériences réalisées par l’équipe ont illustré les types de questions auxquelles Bacterial-MERFISH pouvait répondre. Par exemple, Moffitt et ses collègues ont pu démontrer que des cellules individuelles d’E. coli, lorsqu’elles sont privées de glucose, tentent d’utiliser des sources alimentaires alternatives de manière séquentielle, modifiant ainsi leur expression génétique dans une séquence spécifique. En prenant une série d’instantanés génétiques au fil du temps, l’équipe a pu reconstituer cette stratégie de survie.
L’équipe a également obtenu des informations sur la manière dont les bactéries organisent leur ARN au sein des cellules, ce qui pourrait être important dans la régulation de différents aspects de l’expression des gènes. Auparavant, il était très difficile de gérer une telle transformation, mais maintenant ce travail est devenu beaucoup plus facile.
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