La recherche de pointe sur les phages promet de nouvelles solutions pour les anciens pathogènes

De nouvelles recherches détaillent les mécanismes et les structures recherchés depuis longtemps.

Les infections bactériennes constituent des obstacles majeurs tant dans l’agriculture que dans les soins de santé, en particulier avec la prévalence croissante de bactéries résistantes aux antibiotiques. Les chercheurs du Texas A&M AgriLife Research étudient comment les virus qui infectent les bactéries neutralisent ces agents pathogènes nocifs, ouvrant ainsi la porte à des approches thérapeutiques innovantes.

Dans leur récente étude publiée dans ScienceLanying Zeng, Ph.D., professeur, et Junjie Zhang, Ph.D., professeur agrégé, tous deux au département de biochimie et de biophysique du Texas A&M College of Agriculture and Life Sciences, ont détaillé un mécanisme précis par lequel les phages désactivent bactéries.

L’effort de collaboration impliquait également :

• Yiruo Lin, Ph.D., professeur adjoint de recherche au département d'informatique et d'ingénierie du Texas A&M College of Engineering.
• Matthias Koch, Ph.D., professeur adjoint au département de biologie du Texas A&M College of Arts and Sciences.
• Zemer Gitai, Ph.D., et Joshua Shaevitz, Ph.D., professeurs au université de Princeton Département de biologie moléculaire et Département de physique, respectivement.
• Yinghao Wu, Ph.D., professeur agrégé au département de biologie systémique et computationnelle du Collège de médecine Albert Einstein.

Ensemble, l’équipe a travaillé pour expliquer une série d’interactions que les scientifiques cherchent à comprendre depuis le début des années 1970.

La nécessité de nouveaux traitements

Pseudomonas aeruginosa est un type de bactérie qui peut provoquer des infections du sang, des poumons et parfois d'autres parties du corps. Ces infections sont particulièrement fréquentes dans les établissements de soins, qui rencontrent souvent des bactéries résistantes aux médicaments. Selon les Centers for Disease Control and Prevention, il y a eu plus de 30 000 cas d’infections à P. aeruginosa multirésistantes parmi les patients hospitalisés en 2017.

La prévalence des infections à Pseudomonas résistantes aux antibiotiques en fait un point d’intérêt pratique pour la phagothérapie, un type de méthode de traitement utilisant des bactériophages, ou phages, que les chercheurs du Texas A&M Center for Phage Technology explorent comme alternative aux médicaments classiques.

Zeng et Zhang, codirecteurs du centre avec Jason Gill, Ph.D., professeur agrégé au Département des sciences animales, explorent l'utilité des phages, même au-delà de la phagothérapie, en plongeant dans les structures et les mécanismes en jeu. .

Cibler le pilus

L’un des facteurs qui permettent à P. aeruginosa de se transmettre des gènes de résistance aux antimicrobiens, ainsi que de se déplacer et de créer des structures difficiles à traiter appelées biofilms, est un appendice appelé pilus, du nom du mot latin signifiant lance. Ces structures cylindriques s'étendent depuis la surface des bactéries.

Certains phages utilisent les pili bactériens en s'y attachant et en permettant aux bactéries de remonter le phage à la surface, où le phage peut commencer à infecter les bactéries.

De gauche à droite : Lanying Zeng, Ph.D., Junjie Zhang, Ph.D., Zihao Yu et Jirapat Thongchol. Avec d’autres, ces chercheurs du Texas A&M Center for Phage Technology recherchent des solutions aux infections bactériennes résistantes aux antibiotiques et caractérisent les interactions phage-bactérie. Crédit : Zihao Yu/Texas A&M AgriLife

Dans leur étude en Science, co-écrit pour la première fois par Jirapat Thongchol et Zihao Yu, étudiants diplômés de Texas A&M, les chercheurs ont étudié ce processus étape par étape en utilisant la microscopie à fluorescence, la microscopie électronique cryogénique et la modélisation informatique. Ils ont observé comment un phage appelé PP7 infecte P. aeruginosa en se fixant au pilus, qui se rétracte ensuite et tire le phage vers la surface cellulaire.

Au point d'entrée du virusle pilus se plie et se casse, et la perte du pilus rend P. aeruginosa beaucoup moins capable d'infecter son propre hôte.

Recherche en cours

Ce travail s'inscrit dans la continuité de recherches antérieures publiées en 2020, lorsque l'équipe de Zeng a découvert un phage capable de briser de la même manière le pili des cellules d'E. coli, empêchant les bactéries de partager des gènes entre elles – un moyen courant de propagation de la résistance aux antibiotiques.

Le Science L'étude sur Pseudomonas fait partie de la récente série d'études de recherche de l'équipe. Le mois dernier (mars 2024), ils ont publié leurs résultats dans Communications naturelles sur l'interaction entre un autre genre de bactérie, Acinetobacter, et un phage qui l'infecte. Une autre étude, qui devrait être publiée le mois prochain, couvrira un troisième genre de bactéries et des phages supplémentaires.

Les progrès de l'équipe dans la détermination précise des structures protéiques et des interactions moléculaires ont été rendus possibles grâce au nouveau microscope cryoélectronique d'AgriLife Research, qui a ouvert ses portes au Texas A&M fin 2022 et peut résoudre les structures au niveau atomique.

« Dans notre étude précédente sur E. coli, nous n'avons pas vraiment exploré grand-chose sur le mécanisme », a déclaré Zeng. « Dans notre étude sur Pseudomonas, nous avons pu expliquer beaucoup plus ce qui se passe exactement, y compris la force et la vitesse du détachement du pilus, et comprendre pourquoi et comment cela se produit. »

Utilisations en médecine

Les implications de ces recherches en cours pourraient s’avérer importantes dans le traitement des infections antimicrobiennes. Zhang a déclaré que les médecins n'auraient pas besoin d'utiliser des phages pour tuer les bactéries – comme c'est le cas dans la phagothérapie – mais pourraient simplement permettre aux virus de désarmer les bactéries, ce qui pourrait donner au système immunitaire la possibilité de combattre l'infection par lui-même ou permettre médecins à traiter les patients avec des doses plus faibles d'antibiotiques.

« Si vous tuez simplement les bactéries, vous brisez les cellules, et elles vont libérer des matières toxiques de l'intérieur de la cellule vers l'hôte », a déclaré Zhang. « Notre approche consiste à utiliser un type particulier de phage qui désarme la bactérie. Nous supprimons leur capacité à échanger des gènes de résistance aux médicaments ou à se déplacer en brisant cet appendice.

L’équipe de scientifiques sur les phages a déclaré qu’elle continuerait à rechercher des cas similaires de phages atténuant la virulence des bactéries pathogènes.

« Nous adoptons une approche synergique », a déclaré Zhang. « Nous essayons de comprendre un mécanisme universel pour ce type de phage et comment ils sont capables d'affecter d'autres types de bactéries. C’est l’objectif général de notre effort de collaboration : tenter de résoudre le problème des bactéries multirésistantes.