Apport de la microfluidique pour accélérer les études d'accumulation de mutations modèles

Publié par Redbran le 15/06/2021 à 13:00
Source: CEA IRAMIS
Les équipes NIMBE/LIONS du CEA-Iramis et "Régulation transcriptionnelle des génomes" de CEA-Joliot/I2BC se sont associées pour développer et valider un système innovant d'automatisation de cultures de cellules. Basé sur la microfluidique (La microfluidique est la science et la technologie des systèmes manipulant des fluides et dont...), il permet de réaliser à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...) et avec un gain de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) considérable des expériences essentielles pour comprendre les mécanismes cellulaires mis en jeu lors d'événements de mutation de l'ADN.


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Les mutations de l'ADN ont des conséquences importantes: de la diversité génétique (La diversité génétique est une caractéristique décrivant le niveau de...) nécessaire à l'évolution des espèces à des maladies comme le cancer (Le cancer est une maladie caractérisée par une prolifération cellulaire anormalement...). Elles résultent des expositions à des mutagènes (rayonnements ionisants, UV, radicaux libres...) et/ou de dysfonctionnements internes qui touchent notamment la réparation de l'ADN. Comment étudier ces phénomènes et leurs conséquences ou connaitre précisément l'effet mutagène d'une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) alors que la plupart des événements de mutation restent largement cachés aux yeux des biologistes à cause de la sélection naturelle (En biologie, la sélection naturelle est l'un des mécanismes qui guident l'évolution...) ?

Pour y parvenir, l'équipe de Julie Soutourina (Régulation transcriptionnelle des génomes / département Biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....) des génomes /I2BC du CEA-Joliot) étudie les conséquences de l'accumulation de mutations dans un organisme modèle, la levure (Une levure est un champignon unicellulaire apte à provoquer la fermentation des matières...) (Saccharomyces cerevisiae [1]). L'expérience consiste à multiplier une population de cellules à partir d'un ancêtre unique dans des conditions données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) (par exemple en présence d'une molécule ou alors que le génome (Le génome est l'ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une...) de l'ancêtre comporte une mutation d'intérêt) et d'isoler une unique cellule fille après plusieurs générations (on parle de rétrécissement de population) qui devient elle-même l'ancêtre unique d'une population de cellules multipliée sur plusieurs générations, etc...

Couplé au séquençage (En biochimie, le séquençage consiste à déterminer l'ordre linéaire des...) à haut débit (Le terme de haut débit (ou large bande par traduction littérale de l'expression anglosaxonne...) du génome, ce type d'expérience permet à la fois de cartographier précisément les mutations spontanées et de mesurer leur taux d'apparition, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en caractérisant leurs effets sur le phénotype. Problème: les taux de mutation sont généralement si faibles qu'il faut un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) conséquent de lignées cultivées en parallèle, avec des interventions humaines répétées sur une longue période de temps (classiquement, 800 boîtes de Petri doivent être manipulées pendant plus de 6 mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps...), avec une intervention humaine tous les 2 jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) !). Comment rendre l'expérience moins fastidieuse ? Les équipes de Florent Malloggi (CEA-Iramis, NIMBE/Lions) et Julie Soutourina se sont associés pour développer et valider un système innovant d'automatisation des cultures pour ces expériences, basé sur la microfluidique.


[i]Dispositif pour l'accumulation de mutations: En haut à gauche: comparaison de la technique manuelle usuelle sur boite de Pétri et du dispositif microfluidique. En bas à gauche: description du dispositif microfluidique. Colonne de droite: comparaison des 2 types d'expériences.

Concrètement, l'équipe de F. Malloggi a fabriqué un modèle de puce microfluidique par photolitographie, comportant plusieurs types de microstructures: des "micro-chambres de culture (La définition que donne l'UNESCO de la culture est la suivante [1] :)", pour permettre à des levures de se multiplier sur plusieurs générations, montées en série alternativement avec des micro-canaux constituants des rétrécissement de population ne laissant passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) qu'une seule cellule. Lorsqu'une population de cellules a occupé tout l'espace de la première chambre, une seule cellule fille peut passer dans la chambre en aval ; cette cellule fille unique se multiplie jusqu'à ce que sa descendance occupe l'intégralité de cette deuxième chambre ; une seule cellule fille passe alors dans la chambre suivante et ainsi de suite.

A ces deux types de microstructures s'ajoutent également des points d'entrée et de sortie et des canaux supplémentaires pour l'inoculation de cellules et la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles...) des fluides (notamment le milieu de culture). Au total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...), sur une puce microfluidique en polydiméthylsiloxane (PDMS, un polymère), les chercheurs ont gravé 8 réseaux en parallèle pour pouvoir cultiver simultanément 8 lignées d'accumulation des mutations pendant 1 à 3 mois avec une intervention humaine limitée. Le système a été validé en comparant deux souches: une servant de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) et l'autre déficiente pour la réparation de l'ADN par excision (Une excision est, dans son sens le plus général, l'ablation d'un morceau de tissu...) de base.

Cet outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son...) unique, associé à un séquençage à haut débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers...), ouvre ainsi la voie à des expériences d'accumulation des mutations massives pour étudier les processus mutationnels à l'origine des maladies et pour identifier des composés mutagènes pertinents pour la recherche médicale (La recherche médicale se divise en recherche fondamentale et clinique.) et environnementale.

Le travail a bénéficié du soutien d'un programme de la Direction de la Recherche Fondamentale (La recherche fondamentale regroupe les travaux de recherche scientifique n'ayant pas de finalité...) du CEA (DRF-Impulsion). Le séquençage à haut débit a été réalisé sur la plateforme de séquençage de l'I2BC.

Note:

[1] S. cerevisiae constitue un très bon modèle: son génome, très proche de celui de l'Homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo...) (la plupart des fonctions cellulaires sont conservées) est compact et le temps entre deux générations est très court (90 min environ).

Référence:

Microfluidic platform for monitoring Saccharomyces cerevisiae mutation accumulation.
Eliet H. Sipos, Adélaïde Léty-Stefanska, Cyril Denby Wilkes, Julie Soutourina* and Florent Malloggi*
Lab Chip, 2021, Advance (Advance est un constructeur informatique.) Article, 2021 May 7.

Contact CEA-Joliot: Julie Soutourina, Equipe "Régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se...) transcriptionnelle des génomes", I2BC.
Contact CEA-Iramis:Florent Malloggi, NIMBE/LIONS.
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