Imaginez si vous pouviez prendre une fourmi et la rendre aussi grosse qu’un éléphant. Vous verriez chaque détail de son corps, chaque nuance, chaque mouvement. Maintenant, transportons cette idée dans le monde microscopique. Une équipe de scientifiques a réussi à faire quelque chose de similaire avec des bactéries : ils ont agrandi mille fois. Ce n’est pas de la magie, mais une technique ingénieuse qui combine la microscopie avancée et la chimie des polymères. Le résultat ? Une vision inédite du monde bactérien, capable de révéler des secrets cachés sur leur comportement, leur résistance aux antibiotiques et leurs stratégies de survie. Préparez-vous pour un incroyable voyage au royaume des bactéries « géantes » (il serait préférable de dire grossies, mais c’est ainsi) où l’infiniment petit devient enfin visible.
Le défi de voir l'invisible
Comment les bactéries, ces minuscules organismes qui nous habitent et nous entourent, coordonnent-elles leurs activités ? Comment interagissent-ils entre eux et avec leur environnement ? Il s’agit de questions fondamentales pour comprendre les bactéries bénéfiques et nocives qui causent des maladies infectieuses. Une étude récente, publiée dans la prestigieuse revue Science (je mets le lien ici), a ouvert de nouvelles perspectives dans ce domaine, grâce à une technique qui permet de visualiser les bactéries d'une manière totalement nouvelle.
Jeffrey Moffitt, PhD, et ses collègues de Programme en médecine cellulaire et moléculaire (PCMM) al Boston Children's Hospital, ils ont utilisé une technique d'imagerie moléculaire appelée Poisson-sirène, développé en partie par Moffitt lui-même. Cette technique permet l'analyse de l'ARN messager (ARNm) au sein de milliers de bactéries individuelles simultanément. Un véritable recensement génétique à l’échelle microscopique, qui permet de cartographier l’expression des gènes à grande échelle et de révéler comment les facteurs spatiaux influencent l’activation des gènes bactériens. Un résultat jamais atteint auparavant.
Bactéries « géantes » : surmonter les limites de la microscopie traditionnelle
Il y avait un obstacle à surmonter sur le chemin vers cette méga-expansion : l’ARN bactérien, ou transcriptome bactérien, est incroyablement dense et comprimé à l’intérieur de minuscules cellules. Considérez-le comme une boule de laine emmêlée dans une boîte à chaussures. Le visualiser avec des microscopes traditionnels était presque impossible. « C'était un désastre complet, on ne voyait rien », raconte-t-il. Moffitt.
La solution est venue en empruntant une technique développée dans le laboratoire de Ed Boyden, Ph.D., à MIT: le microscopie à expansion. Les chercheurs ont intégré les échantillons bactériens dans un hydrogel spécial, ancrant l’ARN à cette structure semblable à un gel. Ensuite, ils ont changé le tampon chimique dans le gel, déclenchant un processus d’expansion. Le résultat ? L'échantillon a gonflé, augmentant son volume de 50 à 1000 XNUMX fois. « Tous les ARN bactériens sont désormais résolubles individuellement », explique-t-il. Moffitt. Comme si la pelote de laine emmêlée s'était démêlée comme par magie, révélant chaque fil.
Ce que révèle l’expression des gènes bactériens
Jusqu’à présent, les scientifiques ne pouvaient étudier le comportement bactérien que « en moyenne », en analysant des populations entières de bactéries. Mais cette nouvelle capacité à déterminer quels gènes sont activés dans unique les bactéries ouvrent de nouvelles perspectives. Nous pouvons enfin comprendre les interactions bactériennes à l’échelle individuelle, démêler les mécanismes de virulence, étudier les réponses au stress, comprendre comment les bactéries développent une résistance aux antibiotiques et comment elles forment des biofilms, ces communautés bactériennes complexes qui se forment, par exemple, sur les cathéters.
« Nous disposons désormais d’outils pour répondre à des questions fascinantes sur les interactions hôte-microbe et microbe-microbe », s’enthousiasme-t-il. Moffitt. « Nous pouvons explorer la manière dont les bactéries communiquent et rivalisent pour les niches spatiales, définir la structure de communautés microbiennes et d’étudier comment les bactéries pathogènes modifient l’expression de leurs gènes lorsqu’elles infectent les cellules de mammifères.
La microscopie bactérienne MERFISH nous permet également d’étudier des bactéries difficiles à cultiver en laboratoire. « Maintenant, nous n'avons plus besoin de les cultiver, nous pouvons simplement les visualiser dans leur environnement naturel », souligne-t-il. Moffitt. Un énorme avantage, étant donné que la plupart des bactéries existantes ne peuvent pas être cultivées avec les techniques traditionnelles.
Des « bactéries géantes » révèlent des stratégies de survie
Pour démontrer le potentiel de la technique, l'équipe de Moffitt a mené plusieurs expériences. Par exemple, ils ont pu démontrer que les bactéries individuelles E. coli, en cas de manque de glucose, essayez d'utiliser des sources alimentaires alternatives les unes après les autres, en modifiant leur expression génétique dans une séquence spécifique. En analysant une série de « clichés » génomiques au fil du temps, les chercheurs ont pu reconstituer cette stratégie de survie. C'est un peu comme regarder un moteur passer d'un carburant à un autre pour continuer à fonctionner.
L’équipe a également acquis des connaissances sur la manière dont les bactéries organisent leur ARN à l’intérieur des cellules, un aspect qui pourrait être crucial dans la régulation de l’expression des gènes. Enfin, ils ont montré que les bactéries intestinales activent différents gènes en fonction de leur emplacement physique dans le côlon. Un véritable « code postal » génétique, qui varie en fonction du micro-environnement dans lequel se trouvent les bactéries.
Une nouvelle ère pour la recherche bactérienne
« Les mêmes bactéries peuvent faire des choses très différentes dans un espace de quelques dizaines de microns », conclut-il. Moffitt. « Ils voient des environnements différents et y réagissent différemment. Il était très difficile de gérer cette variation auparavant, mais maintenant nous pouvons répondre au genre de questions que les gens rêvaient de pouvoir poser.
Grâce à la microscopie expansive, une nouvelle ère s’ouvre pour la recherche bactérienne. Non seulement nous pourrons étudier ces micro-organismes avec des détails sans précédent, mais nous pourrons également répondre à des questions fondamentales sur la vie, la santé et l’environnement avec de nouvelles armes et de nouvelles perspectives. Un avenir microscopique, mais aux implications gigantesques.
