‘Nanopore-tal’ permet aux cellules de parler aux ordinateurs –

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  • 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. Maintenant, des chercheurs de l’Université de Washington et de 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 ? surnommés “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 dans Biotechnologie naturelle.

    « 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-responsable l’auteur 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 NanoporeTER ont été conçus pour transporter des “codes-barres” de protéines distincts composés de chaînes d’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, 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.

    Les chercheurs ont conçu les protéines NanoporeTER avec des “queues” chargées afin qu’elles puissent être attirées dans les capteurs nanopores 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 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, en revanche, peut emballer un beaucoup d’informations dans un très petit navire, et vous pouvez envoyer beaucoup d’entre elles à un autre endroit pour être lues. 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, qui a obtenu cette année un baccalauréat en biochimie et en microbiologie de l’UW. « 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 une maladie et même cibler des traitements sur des zones spécifiques à l’intérieur du corps. Et le débogage compliqué les conceptions de circuits génétiques deviendraient beaucoup plus faciles et prendraient beaucoup moins de temps 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 comprenant des brins synthétiques d’ADN pouvant être décodés à la demande à l’aide du lecteur portable.

    Cette fois, l’équipe a fait un pas de plus.

    “Il s’agit du premier article à montrer comment un dispositif commercial de capteur à nanopores peut être réutilisé pour des applications autres que le séquençage d’ADN et d’ARN pour lequel il a été conçu à l’origine”, a déclaré la co-auteure Kathryn Doroschak, biologiste computationnelle chez Adaptive Biotechnologies qui a terminé cette étude. travailler comme doctorant 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 à nanopores sur votre téléphone portable. disponible en dehors de la génomique traditionnelle.”

    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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