La méthode de Fleming en miniature

Il y a 90 ans, une moisissure s'est retrouvée par inadvertance sur une culture de bactéries dans le laboratoire d'Alexander Fleming. Le bactériologiste écossais a observé que le champignon produisait une substance qui tuait les bactéries sur la plaque de culture cellulaire. Il a ainsi découvert la pénicilline, l'un des premiers antibiotiques. Il existe aujourd'hui plusieurs dizaines de classes d'antibiotiques et la science continue de chercher inlassablement de nouvelles substances antimicrobiennes, car la médecine en a un besoin urgent. Une grande partie de ces médicaments sont des substances naturelles ou se basent sur celles-ci. Et aujourd'hui encore, la méthode de détection est la même qu'à l'époque de Fleming : Un antibiotique est une substance capable de tuer des bactéries sur une plaque de culture cellulaire.

Des scientifiques autour de Steven Schmitt du groupe du professeur ETH Sven Panke au département des systèmes biologiques de l'ETH Zurich à B?le ont maintenant modernisé et miniaturisé la méthode de Fleming et l'ont ainsi rendue apte à l'analyse à haut débit des micro-organismes et des substances actives qu'ils produisent. "Alors qu'il faut aujourd'hui jusqu'à un an pour tester 10'000 producteurs de substances actives avec les méthodes traditionnelles, nous pouvons analyser des millions de variantes en quelques jours", explique Schmitt, qui a développé la méthode dans le cadre de sa thèse de doctorat à l'ETH.

Gr?ce à cette nouvelle technologie, les scientifiques de l'ETH ont réussi, en collaboration avec des collègues néerlandais et allemands, à identifier une série de nouveaux candidats antibiotiques. Dans une prochaine étape, les chercheurs vont maintenant examiner si parmi ces candidats se trouvent ceux qui se prêtent à une application en médecine.

"Bubble Tea" pour la recherche de substances actives

Ce qui, chez Alexander Fleming, était une bo?te de culture cellulaire de dix centimètres de diamètre, sont, dans la nouvelle technique appelée "nano-Fleming", de petites boules de gel d'un demi-millimètre seulement - semblables au "bubble tea" ou à l'imitation de caviar de la cuisine moléculaire. Les scientifiques peuvent tester l'effet antibiotique de nouvelles substances dans ces billes. Pour ce faire, ils placent dans les billes, d'une part, plusieurs bactéries capteurs et, d'autre part, un micro-organisme par bille qui produit une substance à tester et à l'effet antibiotique potentiel.

Si la substance produite a effectivement un effet antibiotique, les bactéries capteurs meurent. Si elle n'agit pas, elles se multiplient et forment des amas de cellules. Après avoir marqué les bactéries sensorielles avec un colorant fluorescent, les scientifiques peuvent trier les billes de gel faiblement fluorescentes à l'aide d'une méthode de tri à haut débit. Elles contiennent un micro-organisme qui a produit un antibiotique efficace. Les scientifiques peuvent ensuite identifier cette substance active.

Des antibiotiques plus efficaces

Dans le travail actuel, que les chercheurs ont publié dans la revue spécialisée page externeNature Chemical Biology ils ont testé l'effet antibiotique d'une collection de 6000 peptides (courtes protéines). Il s'agissait de molécules similaires à un groupe d'antibiotiques peptidiques connus, appelés lantibiotiques. Les scientifiques voulaient examiner s'il était possible, en modifiant intelligemment la structure moléculaire des lantibiotiques, d'augmenter leur efficacité ou de contourner les mécanismes de résistance connus.

avec leurs collègues néerlandais et allemands, ils sont partis de lantibiotiques connus et de leurs sous-unités structurelles et fonctionnelles. Dans une approche biotechnologique, ils ont combiné les sous-unités de différents lantibiotiques de toutes les manières possibles et ont ainsi créé une collection de micro-organismes qui produisent ces peptides recombinés. Ils ont ensuite testé ces micro-organismes à l'aide de la méthode "Nano-Fleming". Ils ont effectivement trouvé onze peptides qui, par rapport aux lantibiotiques connus, soit agissent à plus petite dose, soit sont capables de déjouer les mécanismes de résistance connus.

Recherche dans la nature

"Cette méthode permet aussi d'étudier parfaitement si des micro-organismes de la nature produisent des substances actives non encore découvertes", explique Schmitt. Le fait que les microbes tentent d'éliminer leurs concurrents à l'aide de composés biochimiques est un mécanisme naturel et répandu. Il est donc possible que l'on trouve de nouvelles classes d'antibiotiques dans des habitats tels que les échantillons de sol ou le microbiome encore peu étudié de la peau et de la salive humaines. La nouvelle technique permettrait d'analyser très facilement les micro-organismes de ces habitats. "Et comme nous pouvons désormais tester beaucoup plus de producteurs de substances actives en peu de temps qu'avec les méthodes précédentes, les chances de découvrir des substances actives de micro-organismes rares augmentent".

De même, la technique pourrait être adaptée afin de tester d'autres critères pour les antibiotiques dès la première analyse, comme la stabilité dans la circulation sanguine humaine ou le contournement des mécanismes de résistance. Ou bien il serait possible d'équiper les billes de gel de différentes bactéries capteurs - celles qu'un principe actif doit absolument tuer, par exemple des agents pathogènes, et d'autres auxquelles il ne doit en aucun cas nuire, par exemple des bactéries de la flore saine de la peau ou de la bouche.

Schmitt prévoit maintenant de poursuivre des développements comme celui-ci dans le cadre de son ETH-Pioneer-Fellowships ainsi que d'une bourse Bridge, gr?ce à laquelle le Fonds national suisse et Innosuisse encouragent ensemble des développements à l'interface entre les hautes écoles et l'industrie. La création d'un spin-off est également prévue afin de commercialiser la méthode.