Comment une découverte des années 1960 à Yellowstone a rendu possibles des millions de tests PCR COVID-19
MILWAUKEE – Comme tant de grandes découvertes scientifiques, Tom Brock a commencé la recherche qui allait révolutionner le domaine de la biologie – et ouvrir la voie au développement des tests COVID-19 de référence utilisés pour lutter contre une pandémie – avec une question .
En 1964, le microbiologiste chassait dans l’Ouest lorsqu’il s’est arrêté pour visiter le parc national de Yellowstone. C’était la première fois qu’il voyait les sources chaudes pittoresques du parc.
« Je suis arrivé à la zone thermale et j’ai vu toutes ces couleurs de ce qui était évidemment des microbes », a déclaré Brock, alors professeur à l’Université de l’Indiana. « Personne ne semblait en savoir beaucoup sur eux. »
Alors que l’eau des sources chaudes coulait des piscines, elle se refroidissait, créant une gamme de températures et d’environnements propices à la croissance des bactéries. Mais dans les parties les plus chaudes des sources, où les températures variaient de 70 Celsius à plus de 100 Celsius – le point d’ébullition de l’eau – les sources étaient claires, considérées comme inhabitables.
Brock voulait en savoir plus sur les bactéries et voir si certaines d’entre elles vivaient dans les eaux les plus chaudes.
L’été suivant, il est retourné à Yellowstone avec une équipe de recherche étudiante et une subvention de la National Science Foundation pour faire des recherches sur la vie à haute température. C’était le début de ce qui allait devenir une décennie de travail sur l’étude des créatures microscopiques du parc.
Brock effectuait ce qu’on appelle la recherche fondamentale. Il ne savait pas avec certitude où le travail le mènerait ou comment ses découvertes pourraient être utilisées à l’avenir. L’objectif était aussi vague que grandiose: faire progresser la compréhension scientifique des organismes vivant dans l’un des environnements les plus extrêmes de la Terre.
Ce faisant, il a changé le monde.
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En 1966, Brock et un étudiant de premier cycle, Hudson Freeze, ont découvert une nouvelle bactérie qui prospérait dans les eaux au-dessus de 70 degrés Celsius. Brock l’a nommé Thermus aquaticus.
La découverte de cette bactérie résistante a révolutionné les domaines de la biologie et de la médecine.
« Beaucoup de gens pensaient que (la recherche) était une sorte de chose spécialisée », a déclaré Brock, maintenant professeur émérite à l’Université du Wisconsin-Madison. « Travailler sur des organismes à Yellowstone en été ressemblait à une » étude de vacances « . »
Ce que personne n’aurait pu savoir à l’époque, c’est qu’à l’intérieur de cette bactérie était l’ingrédient clé pour les tests de diagnostic de référence qui seraient déployés dans tout le pays par dizaines des millions près de 50 ans plus tard, en première ligne dans la lutte contre le COVID-19.
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La clé de la réaction en chaîne par polymérase, ou PCR
Alors que la nouvelle de la découverte se propageait, les biochimistes de tout le pays ont commencé à rechercher le fonctionnement interne de Thermus aquaticus, a écrit Brock dans un article de 1997 pour la Genetics Society of America.
Brock et Freeze se sont vite rendu compte que les enzymes des bactéries – des protéines qui effectuent des réactions chimiques à l’intérieur d’une cellule – continuaient à fonctionner à des températures qui étaient encore plus élevées que le point d’ébullition de l’eau. Les enzymes d’autres organismes ne peuvent tolérer une telle chaleur; ils perdent leur structure et cessent de fonctionner, comme un œuf qui change de forme lorsqu’il est placé dans une poêle chaude.
L’un des Thermus aquaticus ‘ Les enzymes sont aujourd’hui l’ingrédient clé de la réaction en chaîne par polymérase – la PCR – que les laboratoires du monde entier utilisent pour détecter le virus responsable du COVID-19.
La PCR, une technique développée par le biochimiste Kary Mullis dans les années 1980, est une procédure de base utilisée pour diagnostiquer les maladies. La PCR joue également un rôle en aidant les scientifiques à détecter l’ADN laissé sur les scènes de crime, à séquencer les génomes et à suivre les mutations comme celles du SRAS-CoV-2, et à déterminer l’ascendance d’une personne ou la race d’un chien.
La PCR peut produire des millions et des milliards de copies de segments d’ADN, amplifiant même les plus petites traces de matériel génétique de tout germe, animal ou personne que les scientifiques pourraient rechercher. Le processus nécessite de chauffer un échantillon à des températures très élevées, puis de le refroidir plusieurs fois.
L’enzyme de Thermus aquaticus, appelée Taq polymérase, copie l’ADN pour en faire davantage. Parce qu’il peut résister au processus de chauffage, les laboratoires sont en mesure d’exécuter les tests beaucoup plus rapidement qu’ils ne le feraient sans lui, car d’autres enzymes seraient détruites chaque fois que l’échantillon était chauffé.
Bien qu’il existe d’autres tests de diagnostic disponibles pour le COVID-19, les scientifiques appellent les tests PCR l’étalon-or car ils sont très précis, sensibles et relativement rapides. Même s’il n’y a qu’une petite quantité de virus dans l’échantillon d’un patient, la PCR le trouvera probablement.
Avant que la PCR ne devienne largement utilisée dans les années 90, les scientifiques devraient essayer de cultiver des virus en laboratoire afin de diagnostiquer des maladies, un processus dangereux qui prend des jours, voire des semaines, a déclaré Al Bateman, directeur du Wisconsin State Lab of Hygiene’s maladie transmissible. division.
La Taq polymérase est si fondamentale que l’un des tests COVID-19 utilisés par le laboratoire d’État porte son nom: TaqPath.
« Tous les tests de diagnostic PCR de référence: pour COVID-19, pour la grippe, pour (la tuberculose) – nous exécutons beaucoup de PCR ici », a déclaré Bateman. « Rien de tout cela n’existerait. »
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Le pouvoir de la recherche fondamentale
Brock avait 10 ans lorsqu’il a obtenu son premier kit de chimie. Son père lui a installé un petit laboratoire dans le sous-sol de leur maison à Cleveland. Il s’est intéressé très tôt à la nature, explorant la vieille ferme abandonnée près de chez eux lorsqu’il était enfant.
Quand il avait 15 ans, son père est mort, laissant Brock prendre des petits boulots pour 25 cents de l’heure pour aider sa famille. Il est diplômé du lycée au milieu de la Seconde Guerre mondiale et s’est immédiatement enrôlé dans l’US Navy.
Après la guerre, il s’inscrit à l’Ohio State University en 1946, où il étudie en tant que bénéficiaire du GI Bill. Il a finalement obtenu sa maîtrise et son doctorat à l’Ohio State et s’est rendu à l’Université de l’Indiana en tant que professeur en 1960. Il a déménagé à l’UW-Madison en 1971 et est devenu président du département de bactériologie en 1979.
La découverte de Thermus aquaticus est loin de là où la recherche de Brock s’est terminée.
Au cours d’une décennie de recherche sur les sources chaudes et les geysers à Yellowstone, Brock a rédigé une centaine d’articles basés sur son travail.
Au cours de sa carrière, il a écrit quelque 250 articles et 20 livres, et a accumulé de nombreuses récompenses.
Aujourd’hui âgé de 94 ans, Brock est retraité de l’UW-Madison mais vit toujours à environ un mile de l’université. Il s’est concentré sur la conservation, gérant Pleasant Valley Conservancy dans le Wisconsin avec sa femme, Kathie.
Brock lui-même a retardé sa carrière, et en particulier la découverte de Thermus aquaticus, comme un témoignage de la puissance de la recherche fondamentale.
« Vous savez, vous ne savez jamais ce qui va se passer », a déclaré Brock à propos de ces enquêtes scientifiques.
Il se souvient qu’il y avait eu des critiques publiques du soutien de la NSF à son travail à l’époque: « Cela ne semblait pas très important, juste une attraction touristique », a-t-il dit.
Mais le travail de Brock à Yellowstone a conduit encore plus de scientifiques à étudier les «extrémophiles», des micro-organismes qui vivent dans des environnements extrêmes, une spécialité qui a débloqué des théories sur les origines de la vie sur Terre et sur la possibilité que la vie existe sur d’autres planètes.
« Je pense que Tom a eu un effet catalytique sur les études sur les extrémophiles en général », a déclaré Michael Cox, professeur de biochimie à UW-Madison. « Il a contribué à intéresser le monde de la biologie à ces modes de vie inhabituels de bactéries et toutes sortes de choses en sont sorties. »
La portée étendue de cette découverte unique est également un exemple de la manière dont la science se construit sur elle-même, parfois de la manière la plus inattendue. Il faut des années de recherche, par d’innombrables scientifiques curieux, pour faire avancer la base de connaissances de la société.
«Je pense que c’était la chose la plus étonnante et la plus gratifiante que j’ai vue dans toute ma carrière scientifique», a déclaré Freeze, maintenant directeur du programme de génétique humaine au Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute à La Jolla, en Californie, à propos de l’impact de cette découverte. .
« Je connais un certain nombre de personnes, des amis à moi, qui ont dit: ‘Vous avez toujours voulu vérifier la valeur de la science fondamentale? C’est le meilleur exemple, où vous regardez quelque chose qui n’a pas d’application et qui réglage, avec les bonnes potions magiques, vous changez le monde », a déclaré Freeze.
En réfléchissant aux fruits de la curiosité de Brock, Bateman a rappelé une citation d’un autre scientifique révolutionnaire: Louis Pasteur. « Le hasard ne favorise que l’esprit préparé. »
C’est un sentiment auquel Brock s’est fait l’écho lorsqu’on lui a demandé s’il avait des conseils à donner aux scientifiques du futur.
«Étudiez dur et gardez l’esprit ouvert», dit-il.
Suivez le journaliste Devi Shastri sur Twitter à @DeviShastri.
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