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Les Deinococcus radiodurans au service de l'homme

Des bactéries Deinococcus radiodurans organisées en diplocoques (deux cocci accolés deux par deux). On reconnaît leur génome en bleu. Document M.J. Daly/USU.

Fabriquer des vaccins grâce aux facultés des bactéries extrêmophiles

La bactérie Deinococcus radiodurens fut découverte en 1956 à l'Université d'État d'Orégon au cours d'une expérience de rayons gamma destinée à stériliser une boîte contenant de la viande hachée contaminée par des D. radiodurans. Contrairement aux attentes, les bactéries ont supporté des doses de 5000 Gy soit 1000 à 1500 fois la dose létale pour un être humain ! Nous verrons à propos de la faculté d'adaptation, que cette bactérie extrêmophile résiste également à un séjour prolongé dans l'espace, exposée aux rayonnements solaires et cosmiques.

Depuis quelques années, la NASA et l'Académie Nationale des Sciences américaine ont sollicité les conseils du biologiste Michael J. Daly de l'Uniformed Services University (USU), un collège médical qui dépend du Pentagone situé à Bethesda au Maryland pour essayer de tirer profit des facultés de D. radiodurans.

Daly a étudié la manière de supprimer les D. radiodurans des sondes spatiales afin d'éviter de contaminer d'autres mondes, notamment Mars. Il a également préparé au complexe de production nucléaire de Hanford dans l'État de Washington une souche génétiquement modifiée de D. radiodurans capable de nettoyer les sites de déchets radioactifs, réduire le chrome hexavalent toxique en chrome non toxique et décomposer des solvants toluéniques (des hydrocarbures) en substances moins polluantes. Au cours des dernières années, Daly a étudié les moyens d'appliquer les enseignements tirés de la résistance aux radiations unique de cette bactérie à la production de vaccins plus rapidement, moins chers et plus sûrs.

Dans un article publié dans la revue "PLoS One" en 2020, Daly et ses collègues ont décrit une méthode permettant de produire un vaccin antipoliomyélitique inactivé, un projet qu'ils ont entrepris en collaboration avec Biological Mimetics (BMI), une société de biotechnologie fondée par plusieurs anciens chercheurs du National Cancer Institute et dirigée par le virologue Gregory Tobin.

La stratégie pour résister aux radiations ionisantes

Daly et ses collègues ont trouvé un mécanisme crucial mais peu évident par lequel D. radiodurans se protège des rayons cosmiques et d'autres formes de rayonnements ionisants. Pendant des décennies, l'hypothèse dominante chez les radiobiologistes était que la stratégie clé du microbe pour résister aux dommages causés par les rayonnements impliquait des mécanismes cellulaires actifs pour protéger directement son ADN, y compris un ensemble de nouvelles protéines de réparation de l'ADN et de l'ARN produites en réponse à l'exposition aux radiations. Mais, comme Daly et ses collègues l'ont noté dans un article publié dans la revue "Science" en 2004, D. radiodurans a une approche plus indirecte : elle se concentre principalement sur l'isolation de toutes ses protéines de réparation, protégeant ses moyens de secours contre les dommages pendant qu'elle réalise son auto-nettoyage et reconstruit son génome.

Sur le plan moléculaire, au cours d'un bombardement radioactif, les rayons gamma et les rayons X pénètrent dans les cellules où ils vont briser les molécules d'eau, produisant des ions d'hydrogène et d'oxygène qui vont générer des composés oxydants hautement réactifs.

Plus que le rayonnement lui-même, ce sont ces composés oxydants qui font des ravages dans tous les petits organites et les macromolécules actives à l'intérieur de la cellule. Pour lutter contre cette oxydation et économiser les protéines de réparation de D. radiodurans, chaque bactérie fabrique un composé antioxydant spécial contenant du manganèse chargé positivement. Notons que certains des antioxydants essentiels au corps humain, comme l'enzyme superoxyde dismutase, utilisent également ce même élément minéral. Une étude publiée en 1992 montra que le manganèse seul est un antioxydant très puissant.

Selon Daly, "Nous avons montré que ces complexes de manganèse sont incroyablement efficaces pour protéger les protéines des oxydants générés pendant l'irradiation. Mais, ces mêmes antioxydants au manganèse ne protégent pas l'ADN ni l'ARN. Donc, dès que cela est devenu très évident, je me suis dit que cela ressemble à un moyen idéal de fabriquer un vaccin".

Développement d'un vaccin

Tout bon vaccin doit ressembler au microbe infectieux qui entraîne le système immunitaire à se défendre en recherchant le pathogène et le détruire, mais sans présenter la nocivité du pathogène. Encore faut-il que le vaccin soit développé dans les règles et soit efficace. Ainsi lors de l'épidémie de coqueluche en 2012 survenue aux Etats-Unis, plusieurs facteurs ont contribué au pic épidémique dont l'utilisation d'un vaccin peu fiable composé de matériel cellulaire fragmentaire.

Superposition d'images de microscopie électronique à transmission, microscopie optique et d'analyses par microsonde à fluorescence X d'un diplocoque de D. radiodurans. Les courbes d'isocontours indiquent l'abondance moyenne en profondeur du manganèse (bleu, vert, rose) et du fer (rouge). Document M.J. Daly.

Selon Daly, "Si vous pouvez cultiver votre agent pathogène (quel qu'il soit), si vous le mélangez avec ces antioxydants au manganèse, vous devriez être en mesure d'effacer le génome, qu'il s'agisse d'ARN ou d'ADN, et de le rendre complètement inoffensif et stérile, tout en préservant toutes les structures et les peptides, tous les ligands et toutes les choses qui composent la surface du virus ou des bactéries. Ensuite, vous avez en quelque sorte obtenu comme un fantôme de ce qu'est la véritable chose".

Aujourd'hui, il faut des années pour développer un vaccin. Actuellement le record de vitesse de développement est toujours détenu par le vaccin de Jonas Salk contre la polio : six ans répartis entre environ quatre ans de recherche fondamentale et deux ans d'essais cliniques. En principe, si tout se passe comme prévu, le vaccin contre le Covid-19 sera développé en moins d'un an, ce qui sera un record dans les annales de la médecine. Daly espère que sa méthode permettra de réduire la recherche fondamentale à quelques mois. Ce n'est plus un record, mais une révolution !

L'équipe de Daly est parvenue à trouver un moyen de contourner la majeure partie des étapes de développement pour fabriquer un vaccin à virus entier inactivé classique, très rapidement et avec des dommages négligeables aux protéines antigéniques critiques de la surface du virus.

Si des spécialistes en génie génétique comme Thanh Nguyen de l'Université du Connecticut et l'expert en maladies infectieuses Sandip Datta de chez Merck et qui travailla pour les National Institutes of Health avec Daly, reconnaissent tous deux que la méthode de production mise au point par l'équipe de Daly est très prometteuse, d'autres chercheurs soulignent les limites de cette méthode.

Le biologiste moléculaire Jean Peccoud de l'Université d'État du Colorado qui publia un article dans le webzine "The Conversation" sur les approches concurrentes d'un vaccin contre le Covid-19, craint que la méthode complexe du manganèse de Daly puisse entraîner des complications lors de toute tentative de production industrielle d'un pathogène mortel. Selon Peccound, "Si vous regardez qui gagne la course pour développer un vaccin, aucune des équipes de tête ne s'en approche en développant le virus à grande échelle". Comme le "New York Times" le souligna, "Aucune des deux technologies n'a jamais produit un médicament sous licence ni été fabriquée à grande échelle".

Le meilleur exemple est le développement du vaccin contre le Covid-19 par l'Institut Jenner de l'Université d'Oxford et ses partenaires industriels dont AstraZeneca. Etant donné que le virus est mortel, les chercheurs ont préféré ne pas prendre pas trop de risques. Le vaccin est basé sur une version affaiblie de l'adénovirus AAV contenant uniquement le matériel génétique de la protéine S du Covid-19.

Or ce n'est pas du tout la démarche de Daly et ses collègues. Pour l'équipe de Tobin de BMI, la façon dont Daly innove sur cette méthode très ancienne et bien établie de vaccin à virus entier inactivé est en fait son point fort. Selon Tobin, "Ces approches [conventionnelles] peuvent ne pas sembler aussi modernes mais elles sont soutenues par des décennies d'expériences réussies et constitueraient un investissement beaucoup plus sûr en temps et en ressources".

Concept du vaccin à virus entier inactivé développé par l'équipe de Michael J. Daly de l'USU. Le sujet est irradié (avec des rayons gamma, cosmiques ou autres) en présence d'un antioxydant synthétique composé de manganèse, décapeptide et de phosphate (MnDpPi ou MDP) basé sur les antioxydants produits par la bactérie extrêmophile Deinococcus radiodurans. Document M.J. Daly et al. (2017) adapté par l'auteur.

Lorsque l'équipe de Daly proposa pour la première fois dans la revue "Science" en 2004 que "le manganèse intracellulaire très élevé" était le secret de la défense contre les radiations des bactéries, la réaction des microbiologistes et radiobiologistes fut très partagée. Les avis les plus sceptiques venaient paradoxalement de ses anciens confrères en radiobiologie qui ont également étudié D. radiodurans mais eurent tendance à se concentrer sur l'expression génétique par la bactérie des protéines de réparation d'ADN et d'ARN, sans doute uniques ou exceptionnelles.

Alors que certains d'entre eux ont rejeté le point de vue de Daly selon lequel ces antioxydants au manganèse représentent un changement de paradigme complet dans notre compréhension de la façon dont D. radiodurans et d'autres organismes résistent aux rayonnements, ils ont ensuite changé d'idée et reconnaissent aujourd'hui que la présence de ces composés joue un rôle essentiel dans le processus. Michael Cox, un ancien chercheur qui étudia D. radiodurans, pense que Daly a probablement raison "et je pense qu'on verra qu'il y avait d'autres facteurs impliqués".

Le chimiste John Battista dont le laboratoire installé à l'Université de l'État de Louisiane à Baton Rouge a utilisé des puces à ADN pour identifier quelles parties du génome de D. radiodurans sont responsables de l'expression de ses nouvelles protéines de réparation, soupçonne également qu'"à la fin, ce sera un mélange des deux explications" : certaines protéines de réparation de l'ADN et de l'ARN uniquement compétentes associées à ces antioxydants d'une efficacité unique les protégeant. Battista s'est en grande partie retiré du débat sur D. radiodurans mais continue de valider en tant que pair des études sur cette bactérie pour la revue "Frontiers in Microbiology", où il est rédacteur en chef.

Selon Battista, "Je connais Michael Daly depuis des décennies maintenant. Ce n'est pas le genre de gars qui va juste assembler des trucs bon gré mal gré et les pousser dans la presse". Bien que Battista soit encore personnellement déconcerté par la façon dont les complexes de manganèse des bactéries protégeraient en fait préférentiellement les protéines par rapport aux lipides (comme les membranes cellulaires) et aux acides nucléiques (comme l'ADN et l'ARN), il pense que l'idée de Daly pourrait s'avérer être "un roman qui va vraiment changer la façon dont les vaccins sont fabriqués".

Mais Battista est préoccupé par une autre observation : "En étant parfaitement honnête, ce qui m'a le plus dérangé, c'est pourquoi un ensemble de macromolécules serait-il protégé et pas l'autre ?". Si le complexe est simplement un antioxydant, réduisant l'énergie des radicaux libres de tous ces nouveaux composés d'hydrogène et d'oxygène hautement réactifs présents dans et autour d'une cellule irradiée, alors pourquoi ne protégerait-elle pas toutes les parties de cette cellule ? Comment ce complexe de manganèse parvient-il à garder le protéome intact (l'ensemble de protéines qui sont ou pouvant être exprimées), alors que l'ADN et l'ARN sont détruits ?

La réponse de Daly est : "c'est pas compliqué, juste de la chimie". L'une des principales espèces réactives de l'oxygène produite dans les cellules exposées au rayonnement gamma, le superoxyde (O--), n'interagit pas chimiquement avec l'ADN ou l'ARN, mais ravage le protéome cellulaire. Les complexes intracellulaires d'antioxydants au manganèse fabriqués par D. radiodurans (qui se composent principalement de manganèse, de peptide et d'orthophosphate) et la version synthétique équivalente produite par l'équipe de Daly (à base de manganèse, décapeptide et phosphate nommée MnDpPi ou MDP) "ne récupèrent que le superoxyde efficacement, ce qui signifie que le MDP protège les protéines, pas les génomes".

Pour les virus à base d'ARN, comme les coronavirus en particulier, les complexes MDP n'interagissent qu'avec les protéines extérieures, ne pénétrant jamais la coquille de la capside et donc ne se rapprochent jamais assez pour protéger le génome de l'ARN du rayonnement gamma inactivant. Le résultat, comme un sous-marin ennemi abandonné flottant au large, c'est une cosse virale qui dérive de manière inerte à travers le corps humain, prête à être capturée et étudiée par le système immunitaire avant d'être détruite.

Malgré les milliards de dollars de financement de la fondation Bill et Melinda Gates, il n'existe toujours pas de vaccin efficace contre le paludisme (malaria). Selon l'OMS, cette maladie transmise par un parasite du genre Plasmodium tua 405000 personnes dans le monde en 2018, la plupart des enfants de moins de cinq ans. Selon les NIH, le virus respiratoire syncytial, un précurseur courant de la bronchiolite virale et de la pneumonie, tue environ 250000 personnes dans le monde chaque année. Il n'y a pas non plus de vaccin cliniquement prouvé contre ce virus. Il n'y a pas de vaccin contre le chikungunya, ni contre le VIH ou l'hépatite C.

Bonne nouvelle, théoriquement, avec juste un accès à un peu de rayonnement et à certains complexes manganèse-décapeptides, des candidats vaccins viables pourraient être fabriqués pour chacune de ces maladies, en moins de temps qu'il ne faut pour de nombreux programmes de développement de vaccins pour arriver à un modèle théorique fonctionnel.

Test de l'antioxydant synthétique de manganèse-décapeptide-phosphate (MDP) développé par les équipes de Daly et Tobin basé sur le complexe antioxydant produit par D. radiodurans. A gauche, les échantillons témoins de poliovirus et une fraise. A droite, les échantillons ont été enduits d'antioxydant MDP avant d'être exposés à une dose stérilisante de 45 kGy de rayons gamma. Ils ont très bien résisté par rapport aux échantillons non traités (milieu). Document G.Tobin et al. (2020).

Si on prend l'exemple de la chasse au vaccin contre le paludisme, cela fait plus de 50 ans que des hordes de scientifiques le cherchent. Cela commença en 1967 par une immunisation réussie chez des souris porteuses de plasmodia irradiés. Cela s'est poursuivi des décennies plus tard avec une étude militaire américaine dans laquelle 11 des volontaires furent piqués par des moustiques irradiés des milliers de fois, à des centaines d'occasions, tout au long des années 90. Il reste encore à trouver une solution viable. Selon Tobin, le processus d'essais et d'erreurs pour la plupart des vaccins passés, les percées et les échecs ont été, selon ses mots "atroces".

Certaines des expériences vaccinales les plus difficiles menées avec le concept de Daly visaient à fabriquer des vaccins bactériens, comme celui contre la peste hospitalière résistante aux antibiotiques due au staphylocoque doré (Staphylococcus aureus) résistant à la méthicilline (SARM ou MRSA) étudié en partenariat avec l'équipe de Sandip Datta aux NIH en 2012. Préservant trop de protéines de surface actives de la bactérie, certaines études faites sur les animaux ont montré que leur système immunitaire produisait trop de cytokines inflammatoires nuisibles.

Selon Datta, "Il y a quelque chose au sujet du SARM, en particulier, que nous ne comprenons pas complètement, où la réponse immunitaire doit être juste, et si vous déclenchez le mauvais type de réponse immunitaire, vous pouvez réellement aggraver l'état des patients. Une cible beaucoup plus logique pour l'utilisation des complexes de manganèse est en fait un virus, et la raison en est que les virus sont beaucoup plus petits, pratiquement juste des acides nucléiques. Ils n'ont pas les divers autres composants inflammatoires, protéines et lipides, que les bactéries possèdent". Mais Datta ne connaissait pas encore les effets du Covid-19 dont "l'orage de cytokines" qu'il peut déclencher chez les patients et les tuer très rapidement s'ils ne sont pas traités.

En plus de leur travail prometteur en matière de vaccins sur deux souches de polio, comme ils l'ont expliqué dans la revue "Vaccine" en 2017, les équipes de Daly et Tobin ont déjà réussi à fabriquer des vaccins irradiés hautement protecteurs qu'ils ont testés sur des animaux pour deux autres virus à ARN : le virus de l'encéphalite équine vénézuélienne (VEEV) et la maladie tropicale chikungunya précitée.

La prouesse technique doit être soulignée car non seulement il est plus difficile d'atteindre une petite cible comme un virus qu'une bactérie dix ou cent fois plus grande, mais les virus présentant un génome plus court que la plupart des autres espèces, ils nécessitent une plus longue (ou forte forte) exposition aux rayonnements gamma pour les détruire dans leur capside et produire un vaccin.

Avec ses 30 kbases, le génome du Covid-19 par exemple est environ trois fois plus grand que celui du VEEV, du chikungunya ou de la polio, ce qui signifie que l'inactiver dans un bain d'antioxydants aqueux au manganèse avec des rayons cosmiques sera probablement plus facile sur ses protéines et exigera moins de rayonnements intenses que les projets antérieurs de Daly et de ses collègues. Selon Daly, "Le rayonnement gamma est produit par le cobalt-60, qui est un sous-produit de l'industrie nucléaire. C'est très cher, c'est très dangereux. Il doit être maintenu dans des installations hautement sécurisées - et c'est une raison pour commencer à penser à d'autres formes de rayonnement qui pourraient être en mesure de faire quelque chose de similaire, mais qui pourraient être beaucoup plus accessibles".

Pour leur travail sur la polio, Tobin déclara qu'il n'avait fallu que 30 secondes d'exposition à la lumière ultraviolette pour le neutraliser, par rapport aux deux à quatre semaines historiquement requises pour les vaccins inactivés à l'ancienne (c'est-à-dire en tuant le virus dans un bain chimique avec du formaldéhyde).

En guise de conclusion

Les vaccins à réponse rapide ne sont que l'une des applications les plus opportunes pour les complexes antioxydants produits par D. radiodurans. La capacité de protéger les formes de vie contre les rayonnement intenses a des implications assez étendues, littéralement interstellaires : si ces complexes de manganèse peuvent aider D. radiodurans à survivre sur des sondes spatiales envoyées sur Mars, pourquoi par exemple ne peuvent-ils pas aider l'Homo sapiens à voyager également dans l'espace ?

Dans un article publié dans la revue "PLoS One" en 2016, grâce à un financement de l'Agence DTRA (Defense Threat Reduction Agency, agence de défense pour la réduction des menaces) du Pentagone et de l'Institut de recherche en radiobiologie des forces armées, l'équipe de Daly a constaté que leurs antioxydants synthétiques au manganèse-décapeptide étaient non seulement non toxiques chez les rongeurs lorsqu'ils étaient ingérés ou injectés, mais qu'ils étaient considérablement protégés contre les effets délétères des rayons cosmiques. Ainsi, des souris traitées avec les complexes MDP ont survécu à une exposition aux rayons gamma jusqu'à 9.5 Gy (5 Gy suffisent pour tuer un humain dans les 14 jours), par rapport à un groupe témoin où plus de la moitié des souris non traitées sont mortes en un mois.

Le but de cette recherche était d'explorer comment ces décapeptides de manganèse pourraient un jour aider à protéger les patients cancéreux contre les ravages de la chimiothérapie, en donnant aux mécanismes de réparation de l'ADN et de l'ARN du corps humain la protection nécessaire pour fonctionner.

Ayant suivi les recherches de Daly au fil des ans, la biochimiste clinicienne Dea Slade de l'Université de Vienne qui également étudié D. radiodurans, se sent personnellement très optimiste quant à ces applications de traitement du cancer. Selon Slade, "Ce qui m'excite le plus est le potentiel de cette technique pour révéler la sensibilité relative aux radiations des cellules cancéreuses sur la base de leur contenu complexe en manganèse".

Slade pense qu'une recherche précoce et non invasive de la quantité totale de divers complexes de manganèse dans une tumeur pourrait aider les médecins à décider si la radiothérapie serait efficace au cas par cas. Selon Slade, "J'ai quitté ce domaine il y a six ans, et je n'ai que sporadiquement gardé le contact avec les développements, principalement dans ce domaine des complexes de manganèse. C'est peut-être le seul domaine de la biologie du Deinococcus qui mérite d'être étudié en ce moment".

Alors, qu'est-ce qui empêche exactement cette technologie de résoudre nos besoins urgents en matière de vaccins ? De toute évidence, tout le travail de Tobin au BMI n'en est encore qu'à la phase de développement préclinique. Plusieurs tests cliniques sur des humains et en quatre phases comme l'exige le protocole seront nécessaires. Mais de l'avis de Daly, il serait idéal que davantage de chercheurs universitaires et de sociétés pharmaceutiques commencent à étudier le processus et à l'essayer dans leurs labos. Selon Daly, "Le complexe MDP est très facile à réaliser. Ce n'est pas un secret commercial". De plus, la plupart des grandes universités du monde disposent déjà d'irradiateurs gamma. Pour Daly, "S'ils ont des laboratoires où ils peuvent commencer à cultiver le coronavirus, alors ils seraient tout à fait en mesure de tester ces préparations inactivées sur des animaux. Tout le monde peut utiliser notre approche. Tout a été publié".

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