19 décembre 2023 (Projecteur Nanowerk) Les microbes génétiquement modifiés recèlent un potentiel étonnant en tant qu’usines vivantes, outils de diagnostic, nettoyants environnementaux et bien plus encore. Pourtant, malgré toutes leurs promesses, ces organismes restent largement confinés dans des laboratoires soigneusement contrôlés, incapables de prospérer dans les conditions variables des habitats naturels et industriels. La fragilité des cellules modifiées a considérablement limité leur impact dans le monde réel dans les domaines de la fabrication, des soins de santé, de la durabilité et de l’exploration spatiale, où les solutions microbiennes pourraient générer d’immenses progrès. Aujourd’hui, un ingénieux matériau biohybride développé par des chercheurs d’éminentes institutions chinoises fournit enfin un moyen d’encapsuler solidement des microbes modifiés pour un transport protégé et une libération sélective. Leurs soi-disant « graines vivantes » intègrent des spores bactériennes robustes dans des coques protectrices construites à partir de structures métallo-organiques, une classe hautement adaptable de matériaux poreux cristallins. Ces vaisseaux spécialisés protègent les microbes concepteurs des agressions environnementales, accordent un contrôle précis sur le déploiement des organismes et pourraient lancer une nouvelle ère dans laquelle les microbes génétiquement améliorés voyagent pour remodeler la réalité. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans Matériaux avancés (“Living Seed Materials Made by Metal–Organic Framework-Encapsulated Bacillus subtilis Spore”). En encapsulant des produits génétiquement modifiés Bacillus subtilis spores à l'intérieur charpente métal-organique (MOF), les chercheurs ont créé des particules de « graines vivantes » qui protègent les microbes dans des conditions hostiles tout en permettant une libération contrôlée dans les milieux de croissance. Cette percée s’attaque à un obstacle de longue date pour les technologies d’organismes génétiquement modifiés (OGM), qui ont tendance à bien fonctionner en laboratoire mais qui peinent dans des environnements réels imprévisibles.
Un schéma montrant la conception de graines vivantes inspirées de la croissance d'un arbre géant à partir d'une graine de plante. a) Le cycle de vie d'une graine végétale d'un matériau naturel ; l'endosperme des plantes angiospermes forme une structure noyau-coquille de noyau entourant une coquille de noix pendant le développement de la graine. Dans des environnements riches en nutriments, la graine peut devenir un arbre géant. b) En s'inspirant d'une graine de plante, le développement d'une spore encapsulée par MOF en tant que graine vivante est proposé. Les spores de bactéries modifiées peuvent être encapsulées dans une structure noyau-coquille ZIF-8. Une fois fabriquée, cette graine vivante peut répondre à des conditions environnementales spécifiques et libérer les spores, qui finissent par germer en bactéries vivantes fonctionnelles dotées de caractéristiques prédéfinies. (Réimprimé avec la permission de Wiley-VCH Verlag) L'inspiration pour les graines vivantes est venue de la nature. Les graines de plantes contiennent des revêtements extérieurs protecteurs qui protègent les tissus embryonnaires des stress tels que la sécheresse et les rayons UV jusqu'à ce que les conditions soient mûres pour la germination. Les chercheurs visaient à recréer ce mécanisme adaptatif à l’aide de MOF, une classe hautement personnalisable de matériaux poreux formés de nœuds métalliques reliés par des molécules de liaison organiques.
Les MOF possèdent des propriétés utiles telles qu'une surface élevée, une intégrité structurelle et une réactivité environnementale. Ces caractéristiques ont rendu les MOF attrayants pour l’hébergement de B génétiquement modifiés. subtilis avec des fonctions avancées programmées dans leur ADN. B. subtilis ont été sélectionnées en raison de leur robustesse et de leur capacité à se réanimer sous forme de bactéries végétatives lorsqu'elles sont nourries. En exprimant des protéines rapporteuses fluorescentes dans les spores, l’équipe a pu suivre visuellement les transitions spores-bactéries.
Le processus de production de graines vivantes impliquait la suspension de spores et d’ions métalliques dans de minuscules gouttelettes d’eau, l’émulsification de la phase aqueuse dans l’huile, puis la précipitation d’une coque poreuse de ZIF-8 MOF autour de chaque gouttelette. Cela a donné des microsphères creuses et uniformes avec des spores contenues dans l'espace vide intérieur. Les sphères protégeaient les spores internes lors de traitements agressifs tels que la chaleur élevée, l'eau de Javel oxydante et l'irradiation UV qui détruisaient les spores non protégées. Les taux de dégradation du ZIF-8 dépendaient du milieu environnant, permettant une libération contrôlée de spores déclenchée par les nutriments.
Les spores libérées se sont transformées avec succès en bactéries fonctionnelles lorsqu'elles ont été incubées dans un milieu de croissance. À titre de démonstration, les chercheurs ont préparé des graines vivantes hébergeant B. subtilis conçu pour détecter les produits chimiques IPTG et l'acide cuminique. Après leur libération, les bactéries ont retrouvé leur réactivité aux produits chimiques cibles à des seuils de sensibilité comparables à ceux de leurs homologues non encapsulés.
Une telle préservation et renaissance de microbes modifiés dans un environnement contrôlé offre des possibilités passionnantes pour les technologies microbiennes actuellement confinées à des environnements contrôlés comme les usines et les laboratoires. En accordant une résilience accrue, les récipients à graines vivantes pourraient permettre aux OGM fonctionnels de remplir des rôles dans des endroits imprévisibles tels que le système gastro-intestinal humain, les réserves d'eau contaminées et même des terrains extraterrestres si des vaisseaux spatiaux chargés de spores atteignaient d'autres mondes. De plus, le concept de graine vivante devrait être généralisé à d’autres types de micro-organismes susceptibles d’être modifiés génétiquement et par sporulation.
La recherche représente un mariage révolutionnaire entre la biologie synthétique et la science des matériaux. Les plateformes de semences vivantes devraient bénéficier aux applications émergentes des microbes modifiés dans les domaines de la fabrication, de la thérapeutique, de la gestion environnementale et de l’exploration spatiale. Comme l'auteur principal, le Dr.
– Michael est l'auteur de trois livres de la Royal Society of Chemistry :
Nano-société: repousser les limites de la technologie,
Nanotechnologie: l'avenir est minusculeet une
Nanoingénierie: les compétences et les outils qui rendent la technologie invisible
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