Trouver de nouveaux médicaments en haute mer via ‘eDNA’

Plus d’une douzaine de médicaments ont été développés à partir de composés fabriqués naturellement par des éponges, des coraux et d’autres invertébrés marins. Les robots pourraient accélérer le développement d’innombrables autres, selon les biologistes, en facilitant la collecte de spécimens d’animaux qui vivent dans des habitats éloignés le long des récifs, des canyons sous-marins et des cheminées hydrothermales.

Avec le temps, ils pensent que ces robots pourraient permettre d’éviter complètement le processus de collecte d’échantillons en analysant l’ADNe collecté pour trouver la recette génétique permettant de fabriquer les composés.

“Le but ultime est un véhicule sous-marin qui collecte des échantillons d’ADN environnemental, les séquence puis renvoie les données au laboratoire”, explique Kobun Truelove, technicien de recherche principal au Monterey Bay Aquarium Research Institute en Californie. “Nous aimerions mettre en place un réseau où vous auriez ces véhicules autonomes pour échantillonner, puis récupérer les données en temps réel.”

Plus de 1 000 composés dérivés d’organismes marins ont montré une activité anticancéreuse, antivirale, antifongique ou anti-inflammatoire dans des tests médicaux, selon une base de données compilée par le département de pharmacologie marine de l’Université du Midwestern. La Food and Drug Administration des États-Unis a approuvé 15 médicaments dérivés d’organismes marins, y compris ceux contre la douleur chronique et l’hypercholestérolémie. Selon la base de données, 29 autres composés dérivés d’animaux marins sont actuellement en cours d’essais cliniques.

Les invertébrés marins sont une cible clé de la recherche biomédicale car les animaux, pour la plupart attachés au fond marin et incapables de se déplacer, ont développé des défenses chimiques sophistiquées pour repousser les poissons, tortues et autres prédateurs dans leur environnement. La recherche a montré que les toxines naturelles qui composent ces défenses peuvent être toxiques pour les cellules cancéreuses et les agents pathogènes humains.

À la recherche de médicaments

Avec leurs dispositifs embarqués d’échantillonnage d’ADN, des sous-marins robotiques comme ce véhicule sous-marin autonome mènent la chasse aux nouveaux médicaments dérivés d’organismes marins.

Véhicule autonome plonge à 250 mètres (820 pieds) et peut rester en mer pendant des semaines

Processeur filtre l’eau de mer pour les échantillons d’ADN

Cartouches séquencer et stocker l’ADN

Véhicule autonome plonge à 250 mètres (820 pieds) et peut rester en mer pendant des semaines

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Véhicule autonome plonge à 250 mètres (820 pieds) et peut rester en mer pendant des semaines

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Véhicule autonome plonge à 250 mètres (820 pieds) et peut rester en mer pendant des semaines

Processeur filtre l’eau de mer pour les échantillons d’ADN

Cartouches séquencer et stocker l’ADN

Ces créatures marines “font une large gamme de produits chimiques différents, des choses que les chimistes synthétiques n’ont jamais pensé à faire”, explique Barry O’Keefe, qui dirige le programme des cibles moléculaires et la branche des produits naturels à l’Institut national du cancer de Frederick, dans le Maryland. Chercheurs ont également identifié des composés produits par des bactéries vivant en symbiose avec des invertébrés marins.

Une fois que les scientifiques ont un échantillon approprié d’ADNe et qu’il a été séquencé, disent-ils, ils peuvent identifier les composés que les organismes sont capables de produire. Ensuite, les chercheurs peuvent synthétiser les composés et les tester pour voir s’ils ont des propriétés médicinales.

“Nous ne commençons pas par le produit chimique”, explique Bradley Moore, professeur de biologie chimique marine à la Scripps Institution of Oceanography de La Jolla, en Californie. “Nous commençons par l’ADN qui me dit tous les gènes qui codent pour la production de un de ces produits chimiques.

La collecte d’ADNe promet d’être plus rapide et moins coûteuse que la méthode complexe couramment utilisée pour collecter des spécimens marins, une méthode qu’Amy Wright, directrice du groupe des produits naturels à la Harbour Branch Oceanographic Institution de la Florida Atlantic University, assimile à une chasse au trésor. Actuellement, des navires de recherche lors d’expéditions d’une semaine lancent des véhicules submersibles équipés de pinces en forme de griffes et de tubes d’aspiration pour la collecte de spécimens. Une fois les véhicules et leur charge utile de retour sur les navires, les chercheurs les conservent et les livrent aux laboratoires, où leurs génomes sont séquencés.

L’ensemble du processus peut prendre des semaines et coûte cher. Le simple fait de payer l’équipage pour faire fonctionner un navire de recherche pendant une seule journée peut coûter 35 000 $, selon la National Science Foundation.

Mais le Dr Wright, qui a passé des centaines de jours en mer lors d’expéditions de collecte de spécimens, attend avec impatience la plus grande efficacité promise par la collecte et le traitement de l’eDNA. “Un jour, il y aura des capteurs pour tout détecter”, dit-elle.

Avec ce genre d’objectif à l’esprit, le Dr Truelove et ses collaborateurs ont assemblé un véhicule autonome avec un dispositif de traitement d’ADNe embarqué, qui est officiellement connu sous le nom de Environmental Sample Processor mais qu’ils appellent de manière ludique un «laboratoire en boîte». Une fois qu’il sera complètement développé, le véhicule de huit pieds de long et 250 livres collectera l’eDNA et le séquencera en mer. Les données seraient communiquées à une plate-forme de communication flottante à énergie solaire, semblable à un paddleboard, qui transmettrait ensuite les données aux scientifiques à terre via des réseaux satellites ou cellulaires.

“Vous êtes simplement beaucoup plus agile que ce que vous pouvez faire sur un navire”, déclare le Dr Truelove en référence à la technologie émergente. « Mais nous sommes encore à quelques années » de le perfectionner.

Le Dr Truelove et d’autres personnes impliquées dans le développement de la technologie eDNA font face à plusieurs obstacles.

L’obtention de financement pour la recherche et le développement peut être un problème, étant donné le nombre de composés prometteurs qui s’avèrent être des ratés.

“Une molécule sur peut-être 1 000 qui existe dans la nature serait vraiment considérée comme une molécule que quelqu’un développerait en tant que médicament”, déclare William Fenical, éminent professeur de chimie marine à Scripps et co-découvreur de bactéries marines qui produisent marizomib, un agent anticancéreux actuellement en essai clinique. « Le pourcentage de réussite est inférieur à un pour cent. Qui va payer pour ça ?

Pour soutenir leurs efforts, les scientifiques et les ingénieurs comptent généralement sur les subventions de recherche fédérales. Le financement des sociétés pharmaceutiques n’arrive que lorsque des candidats-médicaments potentiels sont identifiés, un processus qui peut prendre des décennies.

Les chercheurs impliqués dans les travaux sur l’ADNe avertissent également qu’il peut s’avérer difficile d’obtenir des échantillons d’ADNe adaptés à l’identification de composés médicinaux, en partie parce que le matériel génétique se dégrade dans l’eau de mer en quelques jours.

Et certains scientifiques pensent que la clé pour identifier davantage de médicaments dérivés de l’océan ne sera pas seulement de collecter des spécimens ou leur eDNA, mais de les observer – et comment ils interagissent chimiquement avec leur environnement et d’autres organismes – pendant qu’ils vivent dans la nature. Une éponge peut ne produire des composés que dans certaines conditions environnementales, par exemple, ou uniquement lorsqu’elle est menacée par un prédateur. Comprendre comment et quand cela se produit est important pour isoler les composés qui pourraient avoir une valeur médicinale, selon les scientifiques.

“Nous devons étudier ces interactions in situ car il est presque impossible de les reproduire en laboratoire”, explique Katherine Duncan, maître de conférences en écologie microbienne marine à l’Université de Strathclyde en Écosse.

Le Dr Truelove dit que cela pourrait prendre une décennie avant que son véhicule d’échantillonnage d’ADNe entièrement développé soit opérationnel. D’ici trois ans environ, dit-il, les générations précédentes de ces véhicules pourraient faire progresser le développement de médicaments dérivés d’organismes marins en identifiant rapidement les sites sur le fond marin où pourraient vivre des organismes prometteurs. Cela signifie moins de temps à rechercher les organismes avant d’envoyer des véhicules pour les collecter et les renvoyer aux laboratoires pour analyse.

L’utilisation de l’eDNA pour trouver des points chauds biochimiques offre aux chercheurs “beaucoup plus de flexibilité pour comprendre réellement ce qui se passe dans l’océan”, explique le Dr Truelove. « Si vous trouvez quelque chose d’intéressant, vous pouvez y répondre en trois heures. Cela va faire une grande différence.

Écrire à Eric Niiler à [email protected]