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15.2: Sélection d'antibiotiques
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Antibiotic Selection
 
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15.2: Antibiotic Selection

15.2: Sélection d'antibiotiques

Overview

Researchers use antibiotic resistance genes to identify bacteria that possess a plasmid containing their gene of interest. Antibiotic resistance naturally occurs when a spontaneous DNA mutation creates changes in bacterial genes that eliminate antibiotic activity. Bacteria can share these new resistance genes with their offspring and other bacteria. The overuse and misuse of antibiotics have created a public health crisis, as resistant and multi-resistant bacteria continue to develop.

Antibiotic Resistance is an Essential Tool in Genetic Engineering

Antibiotics, such as penicillin, are drugs that kill or stop bacterial growth. Bacteria that naturally or artificially acquired antibiotic resistance genes do not respond to antibiotics. Scientists exploit this by designing plasmids—small, self-replicating pieces of DNA—that carry both an antibiotic resistance gene and a gene of interest. Antibiotic resistance is an integral part of DNA cloning that allows a researcher to identify cells that absorbed a DNA of interest.

The researcher’s DNA of interest is introduced into bacterial cells using a process called transformation. Bacterial transformation involves temporarily creating small holes in the bacterial cell wall to permit the uptake of external DNA such as a plasmid. Only some bacterial cells absorb new DNA. Since the plasmid includes both the DNA of interest and a gene that confers resistance to a specific antibiotic, applying the antibiotic to the bacterial cells (i.e., antibiotic selection) can help determine which cells were genetically modified.

The researcher spreads the bacterial cells onto a culture plate containing a chosen antibiotic. Only bacteria containing the antibiotic resistance gene survive and grow on the plate. After a few days, the researcher can select a bacterial colony to culture for further experiments—such as gene expression studies. Following antibiotic selection, the researcher will further test the bacteria using other methods (e.g., PCR) to confirm that DNA of interest is correct. Errors often occur such as the plasmid not containing the gene of interest at all.

Bacteria Can Acquire Antibiotic Resistance Naturally

Bacteria can acquire antibiotic resistance through spontaneous DNA mutations that alter the proteins produced by the cell. Resistant bacteria may produce proteins that cause the antibiotic to either be degraded, pumped out of the cell, or prevented from interacting with its target. For example, the antibiotic vancomycin inhibits synthesis of the bacterial cell wall. Some bacteria have developed resistance to this antibiotic by changing the types of protein subunits—amino acids—used in the assembly of their cell wall to ones that are unaffected by vancomycin.

Once antibiotic resistance genes emerge, bacteria can pass them on to their offspring. Bacteria can also acquire antibiotic resistance genes from other bacteria of the same or different species through a process called horizontal gene transfer (HGT). There are three mechanisms of HGT: transformation, conjugation, and transduction. Antibiotic resistance genes are often found in plasmids or transposons—pieces of DNA that are easily transferred between bacteria—that are exchanged during HGT. As a result, new types of antibiotic resistance can rapidly spread to multiple types of infectious bacteria.

Clinical Overuse and Misuse of Antibiotics Produces “Superbugs”

Antibiotics are a critical treatment for bacterial infections. However, their use can cause bacteria to become resistant and render the antibiotic ineffective, leading to untreatable and potentially deadly infections. Antibiotic overuse and misuse—for instance, using antibiotics to treat viral (rather than bacterial) infections or to increase livestock growth—is problematic because it promotes resistance.

Antibiotics cause resistance to evolve because they kill susceptible bacteria and leave only the resistant individuals. The surviving bacteria divide rapidly, producing offspring with the same antibiotic resistance. When antibiotics are overused, this selection pressure causes the number of resistant bacteria in the population to rise quickly. This is a major public health concern because it increases antibiotic resistance and creates “superbugs” that are resistant to multiple antibiotics. Continued overuse and misuse of antibiotics may eventually exhaust treatment options for bacterial infections.

Aperçu

Les chercheurs utilisent des gènes de résistance aux antibiotiques pour identifier les bactéries qui possèdent un plasmide contenant leur gène d’intérêt. La résistance aux antibiotiques se produit naturellement lorsqu’une mutation spontanée de l’ADN crée des changements dans les gènes bactériens qui éliminent l’activité antibiotique. Les bactéries peuvent partager ces nouveaux gènes de résistance avec leur progéniture et d’autres bactéries. La surutilisation et l’utilisation abusive des antibiotiques ont créé une crise de santé publique, alors que les bactéries résistantes et multirésistantes continuent de se développer.

La résistance aux antibiotiques est un outil essentiel en génie génétique

Les antibiotiques, comme la pénicilline, sont des médicaments qui tuent ou arrêtent la croissance bactérienne. Les bactéries qui ont acquis naturellement ou artificiellement des gènes de résistance aux antibiotiques ne répondent pas aux antibiotiques. Les scientifiques l’exploitent en concevant des plasmides — de petits morceaux d’ADN auto-reproduisants — qui portent à la fois un gène de résistance aux antibiotiques et un gène d’intérêt. La résistance aux antibiotiques fait partie intégrante du clonage d’ADN qui permet à un chercheur d’identifier les cellules qui ont absorbé un ADN d’intérêt.

L’ADN d’intérêt du chercheur est introduit dans les cellules bactériennes à l’aide d’un processus appelé transformation. La transformation bactérienne consiste à créer temporairement de petits trous dans la paroi cellulaire bactérienne pour permettre l’absorption d’ADN externe comme un plasmide. Seules quelques cellules bactériennes absorbent l’ADN nouveau. Étant donné que le plasmide comprend à la fois l’ADN d’intérêt et un gène qui confère une résistance à un antibiotique spécifique, l’application de l’antibiotique aux cellules bactériennes (c.-à-d. la sélection d’antibiotiques) peut aider à déterminer quelles cellules ont été génétiquement modifiées.

Le chercheur répand les cellules bactériennes sur une plaque de culture contenant un antibiotique choisi. Seules les bactéries contenant le gène de résistance aux antibiotiques survivent et se développent dans l’assiette. Après quelques jours, le chercheur peut choisir une colonie bactérienne à la culture pour d’autres expériences, telles que les études d’expression des gènes. Après la sélection d’antibiotiques, le chercheur testera davantage les bactéries à l’aide d’autres méthodes (p. ex., PCR) pour confirmer que l’ADN d’intérêt est correct. Des erreurs se produisent souvent comme le plasmide qui ne contient pas du tout le gène d’intérêt.

Les bactéries peuvent acquérir une résistance aux antibiotiques naturellement

Les bactéries peuvent acquérir une résistance aux antibiotiques grâce à des mutations spontanées de l’ADN qui modifient les protéines produites par la cellule. Les bactéries résistantes peuvent produire des protéines qui causent la dégradation de l’antibiotique, pompé hors de la cellule ou empêchées d’interagir avec sa cible. Par exemple, la vancomycine antibiotique inhibe la synthèse de la paroi cellulaire bactérienne. Certaines bactéries ont développé une résistance à cet antibiotique en modifiant les types de sous-unités protéiques — acides aminés — utilisés dans l’assemblage de leur paroi cellulaire en celles qui ne sont pas affectées par la vancomycine.

Une fois que les gènes de résistance aux antibiotiques émergent, les bactéries peuvent les transmettre à leur progéniture. Les bactéries peuvent également acquérir des gènes de résistance aux antibiotiques d’autres bactéries de la même espèce ou d’une espèce différente grâce à un processus appelé transfert horizontal de gènes (HGT). Il existe trois mécanismes de HGT : la transformation, la conjugaison et la transduction. Les gènes de résistance aux antibiotiques sont souvent présents dans les plasmides ou les transposons , des morceaux d’ADN facilement transférés entre les bactéries, qui sont échangés pendant la HGT. En conséquence, de nouveaux types de résistance aux antibiotiques peuvent rapidement se propager à de multiples types de bactéries infectieuses.

La surutilisation clinique et l’abus d’antibiotiques produisent des « superbactéries »

Les antibiotiques sont un traitement essentiel pour les infections bactériennes. Cependant, leur utilisation peut rendre les bactéries résistantes et rendre l’antibiotique inefficace, conduisant à des infections incurables et potentiellement mortelles. La surconsommation et l’abus d’antibiotiques — par exemple, l’utilisation d’antibiotiques pour traiter les infections virales (plutôt que bactériennes) ou pour accroître la croissance du bétail — est problématique parce qu’elle favorise la résistance.

Les antibiotiques provoquent l’évolution de la résistance parce qu’ils tuent les bactéries sensibles et ne laissent que les individus résistants. Les bactéries survivantes se divisent rapidement, produisant une progéniture avec la même résistance aux antibiotiques. Lorsque les antibiotiques sont surutils, cette pression de sélection provoque le nombre de bactéries résistantes dans la population à augmenter rapidement. Il s’agit d’un problème majeur de santé publique parce qu’il augmente la résistance aux antibiotiques et crée des « superbactéries » résistantes à de multiples antibiotiques. La surutilisation continue et l’utilisation abusive des antibiotiques peuvent éventuellement épuiser les options de traitement pour les infections bactériennes.


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