Des chercheurs développent la technologie « Nanopore-Tal » qui permet aux cellules de parler aux ordinateurs

Des chercheurs développent la technologie « Nanopore-Tal » qui permet aux cellules de parler aux ordinateurs
Pipetage NanoporeTER

Des chercheurs de l’Université de Washington et de Microsoft ont introduit une nouvelle classe de protéines rapporteurs qui peuvent être directement lues par un dispositif de détection à nanopores disponible dans le commerce. Ici, le doctorant de l’UW, Nicolas Cardozo, pipette une solution contenant des NanoporeTERs sur un appareil portable MinION sous le regard du professeur assistant de recherche de l’UW, Jeff Nivala. Crédit : Dennis Wise/Université de Washington

Les protéines rapporteurs génétiquement codées ont été un pilier de la recherche en biotechnologie, permettant aux scientifiques de suivre l’expression des gènes, de comprendre les processus intracellulaires et de déboguer des circuits génétiques modifiés.

Mais les schémas de rapport conventionnels qui reposent sur la fluorescence et d’autres approches optiques s’accompagnent de limitations pratiques qui pourraient jeter une ombre sur les progrès futurs du domaine. Désormais, les chercheurs du Université de Washington et Microsoft ont créé un « nanopore-tal » sur ce qui se passe à l’intérieur de ces systèmes biologiques complexes, permettant aux scientifiques de voir les protéines rapporteurs sous un tout nouveau jour.

L’équipe a introduit une nouvelle classe de protéines rapporteurs qui peuvent être directement lues par un dispositif de détection à nanopores disponible dans le commerce. Le nouveau système — surnommé « Nanopore-adressable protein Tags Engineered as Reporters » ou « NanoporeTERs » — peut détecter plusieurs niveaux d’expression de protéines à partir de cultures de cellules bactériennes et humaines bien au-delà de la capacité des techniques existantes.

L’étude a été publiée le 12 août 2021 dans Biotechnologie naturelle.

Signaux de nanopores bruts

Des chercheurs de l’Université de Washington et de Microsoft ont introduit une nouvelle classe de protéines rapporteurs qui peuvent être directement lues par un dispositif de détection à nanopores disponible dans le commerce. Flux de signaux nanopores bruts provenant du dispositif MinION, qui contient un réseau de centaines de capteurs nanopores. Chaque couleur représente les données d’un nanopore individuel. L’équipe utilise l’apprentissage automatique pour interpréter ces signaux comme des codes-barres NanoporeTERs. Crédit : Dennis Wise/Université de Washington

« Les nanoporeTER offrent un nouveau lexique plus riche permettant aux cellules modifiées de s’exprimer et de jeter un nouvel éclairage sur les facteurs qu’elles sont conçues pour suivre. Ils peuvent nous en dire beaucoup plus sur ce qui se passe dans leur environnement en même temps », a déclaré le co-auteur principal Nicolas Cardozo, doctorant à l’UW Molecular Engineering and Sciences Institute. « Nous permettons essentiellement à ces cellules de « parler » aux ordinateurs de ce qui se passe dans leur environnement à un nouveau niveau de détail, d’échelle et d’efficacité qui permettra une analyse plus approfondie que ce que nous pouvions faire auparavant. »

Pour les méthodes de marquage conventionnelles, les chercheurs ne peuvent suivre simultanément que quelques protéines rapporteurs optiques, telles que la protéine fluorescente verte, en raison de leurs propriétés spectrales qui se chevauchent. Par exemple, il est difficile de distinguer plus de trois couleurs différentes de protéines fluorescentes à la fois. En revanche, les NanoporeTERs ont été conçus pour transporter des «codes-barres» de protéines distincts composés de chaînes de acides aminés qui, lorsqu’ils sont utilisés en combinaison, permettent au moins dix fois plus de possibilités de multiplexage.

Ces protéines synthétiques sont sécrétées à l’extérieur d’une cellule dans l’environnement environnant, où les chercheurs peuvent les collecter et les analyser à l’aide d’un réseau de nanopores disponible dans le commerce. Ici, l’équipe a utilisé le dispositif MinION d’Oxford Nanopore Technologies.

Équipe de recherche Nanopore Tal

Des chercheurs de l’Université de Washington et de Microsoft ont introduit une nouvelle classe de protéines rapporteurs qui peuvent être directement lues par un dispositif de détection à nanopores disponible dans le commerce. Ici (de gauche à droite) : Karen Zhang, Nicolas Cardozo, Kathryn Doroschak et Jeff Nivala. Non représentés : Aerilynn Nguyen, Zoheb Siddiqui, Nicholas Bogard, Karin Strauss et Luis Ceze. Remarque : cette photo a été prise avant la pandémie de COVID-19. Crédit : Tara Brown Photographie

Les chercheurs ont conçu les protéines NanoporeTER avec des « queues » chargées afin qu’elles puissent être attirées dans les capteurs nanopore par un champ électrique. Ensuite, l’équipe utilise l’apprentissage automatique pour classer les signaux électriques de chaque code-barres NanoporeTER afin de déterminer les niveaux de sortie de chaque protéine.

“Il s’agit d’une interface fondamentalement nouvelle entre les cellules et les ordinateurs”, a déclaré l’auteur principal Jeff Nivala, professeur adjoint de recherche à l’UW à la Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering. « Une analogie que j’aime faire est que les reporters de protéines fluorescentes sont comme des phares et que les NanoporeTER sont comme des messages dans une bouteille.

« Les phares sont vraiment utiles pour communiquer un emplacement physique, car vous pouvez littéralement voir d’où vient le signal, mais il est difficile d’intégrer plus d’informations dans ce type de signal. Un message dans une bouteille, d’un autre côté, peut contenir beaucoup d’informations dans un très petit récipient, et vous pouvez en envoyer beaucoup à un autre endroit pour les lire. Vous pourriez perdre de vue l’emplacement physique précis où les messages ont été envoyés, mais pour de nombreuses applications, cela ne posera pas de problème.

Comme preuve de concept, l’équipe a développé une bibliothèque de plus de 20 balises NanoporeTERs distinctes. Mais le potentiel est nettement plus important, selon la co-auteure principale Karen Zhang, maintenant doctorante dans le programme d’études supérieures en bio-ingénierie de l’UC Berkeley-UCSF.

“Nous travaillons actuellement à augmenter le nombre de NanoporeTER à des centaines, des milliers, voire des millions de plus”, a déclaré Zhang, diplômé cette année de l’UW avec une licence en biochimie et en microbiologie. « Plus nous en avons, plus nous pouvons suivre de choses.

« Nous sommes particulièrement enthousiasmés par le potentiel de la protéomique unicellulaire, mais cela pourrait également changer la donne en termes de notre capacité à faire de la biodétection multiplexée pour diagnostiquer des maladies et même cibler des traitements sur des zones spécifiques à l’intérieur du corps. Et le débogage de conceptions de circuits génétiques compliqués deviendrait beaucoup plus facile et beaucoup moins long si nous pouvions mesurer les performances de tous les composants en parallèle plutôt que par essais et erreurs.

Ces chercheurs ont déjà fait un nouvel usage du dispositif MinION, lorsqu’ils ont développé un système de marquage moléculaire pour remplacer les méthodes conventionnelles de contrôle des stocks. Ce système reposait sur des codes-barres composés de brins synthétiques de ADN pouvant être décodé à la demande grâce au lecteur portable.

Cette fois, l’équipe est allée plus loin.

« Ceci est le premier article à montrer comment un dispositif commercial de capteur à nanopores peut être réutilisé pour des applications autres que l’ADN et ARN le séquençage pour lequel ils ont été conçus à l’origine », a déclaré la co-auteure Kathryn Doroschak, biologiste computationnelle chez Adaptive Biotechnologies, qui a terminé ce travail en tant que doctorante à la Allen School. « C’est passionnant en tant que précurseur de la technologie des nanopores qui deviendra plus accessible et omniprésente à l’avenir. Vous pouvez déjà brancher un appareil nanopore sur votre téléphone portable. Je pourrais imaginer un jour avoir un choix d'”applications moléculaires” qui seront relativement peu coûteuses et largement disponibles en dehors de la génomique traditionnelle.

Référence : « Multiplexed direct detection of barcoded protein reporters on a nanopore array » par Nicolas Cardozo, Karen Zhang, Kathryn Doroschak, Aerilynn Nguyen, Zoheb Siddiqui, Nicholas Bogard, Karin Strauss, Luis Ceze et Jeff Nivala, 12 août 2021, Biotechnologie naturelle.
DOI : 10.1038 / s41587-021-01002-6

Les co-auteurs supplémentaires de l’article sont Aerilynn Nguyen à la Northeastern University et Zoheb Siddiqui à Amazon, tous deux anciens étudiants de premier cycle de l’UW ; Nicholas Bogard de Patch Biosciences, ancien associé de recherche postdoctoral à l’UW ; Luis Ceze, un professeur de l’école Allen ; et Karin Strauss, professeure affiliée à la Allen School et directrice principale de la recherche chez Microsoft. Cette recherche a été financée par la National Science Foundation, les National Institutes of Health et un accord de recherche parrainé par Oxford Nanopore Technologies.

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