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Posté par Adrien le Dimanche 28/01/2018 à 00:00
Tara Oceans: découverte de plus de 100 millions de gènes issus du monde marin
L'expédition Tara Oceans (2009-2013) a permis de collecter des échantillons de plancton dans tous les océans du globe à bord de la goélette Tara, et d'établir des catalogues d'espèces et de gènes à une échelle jusqu'alors jamais entreprise. Poursuivant l'analyse et l'exploitation de la plus grande base de données (En informatique, une base de données (Abr. : « BD » ou « BDD ») est un lot d'informations stockées dans un dispositif...) établie sur l'écosystème planctonique, les équipes du CEA, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), EMBL et ENS, entre autres (1), viennent de franchir une nouvelle étape en analysant l'expression de plus de 100 millions de gènes appartenant à des organismes complexes allant des algues microscopiques aux petits animaux planctoniques. Ces équipes ont montré que des gènes très différents s'expriment selon la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de...) de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) ou la concentration en nutriments des zones océaniques étudiées. La moitié de ces gènes est inconnue, ce qui indique que l'océan (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par Jacques Perrin et Jacques Cluzaud dont le tournage a commencé en 2004 et produit en 2009.), étant déjà un formidable réservoir de biodiversité (La biodiversité est la diversité naturelle des organismes vivants. Elle s'apprécie en considérant la diversité des écosystèmes, des espèces, des populations et celle des...), recèle en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) un énorme potentiel de fonctions génétiques à découvrir. En utilisant des méthodes d'isolement et de caractérisation de cellules isolées, les chercheurs ont pu explorer plus spécifiquement le rôle des gènes présents dans ce compartiment peu étudié, incultivé mais très abondant du plancton (Homère désignait les animaux errant à la surface des flots par plankton, du grec ancien πλαγκτός / planktós ou...), premier maillon (Le maillon en language maritime est une longueur de chaîne (ligne de mouillage), qui mesure 15 brasses soit 27,50 m. L'élément de base de la chaîne est appelé maille. Les...) d'une longue chaîne alimentaire (Une chaîne alimentaire est une suite d'êtres vivants dans laquelle chacun mange celui qui le précède. Le premier maillon d'une chaîne est très souvent un végétal chlorophyllien. Dans les mers et océans, le...). Ces résultats font l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut...) de deux articles publiés dans la revue Nature Communications les 22 et 25 janvier 2018.


Séquenceur au CEA-Genoscope
© CEA/F.Rhodes


Protistes et larves planctoniques
© Christian SARDET/Tara Océans/CNRS Photothèque

Le plancton est composé d'organismes très différents dont les plus simples (bactéries, virus (Un virus est une entité biologique qui nécessite une cellule hôte, dont il utilise les constituants pour se multiplier. Les virus existent sous une forme extracellulaire ou intracellulaire. Sous la forme intracellulaire (à...)?) commencent à être connus génétiquement, grâce entre autres aux travaux précédents de Tara Oceans. En revanche, les organismes plus complexes, tels les algues, les parasites ou les animaux microscopiques sont beaucoup moins connus, alors qu'ils représentent la grande majorité des espèces dans l'océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau salée. En fait, il s'agit plutôt d'un volume, dont l'eau est en permanence renouvelée par des courants marins....). Base de la chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) alimentaire dans les océans, le plancton constitue le plus vaste écosystème de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa...), et assure le bon fonctionnement des cycles biogéochimiques essentiels pour la survie des organismes, y compris nous-mêmes. Composé de millions d'espèces différentes, la complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par...) du plancton représente un défi considérable pour la compréhension de ces flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans...) de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) et d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), dont dépend toute vie (La vie est le nom donné :) sur terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des...).

Le plus grand catalogue de gènes liés à un écosystème

Pour combler cette lacune, et définir les conditions d'expression de ces gènes, des chercheurs du Genoscope au CEA, du CNRS, de l'EMBL, de l'ENS-PSL, de Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du théologien du XIIIe siècle Robert de Sorbon, le...) Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...), de l'Université d'Evry et de l'Université Paris-Saclay viennent d'établir le plus grand catalogue de gènes jamais assemblé pour un écosystème planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire (le Soleil et ses planètes) en tout ou partie. Généralement les astres représentés sont animés soit manuellement,...). Composé d'environ 117 millions de séquences différentes, ce catalogue a été établi grâce à l'isolement des gènes exprimés dans plus de 400 échantillons collectés au cours de l'expédition. Cette approche de séquençage (En biochimie, le séquençage consiste à déterminer l'ordre linéaire des composants d'une macromolécule (les acides aminés d'une protéine, les nucléotides d'un acide nucléique comme...) massif (Le mot massif peut être employé comme :) d'ADN sans isolement d'organismes est dite de métatranscriptomique. Elle a permis d'observer des gènes s'exprimant dans des conditions écologiques particulières. Elle permet par exemple, de montrer que de nombreux organismes utilisent des réponses génétiques différentes selon la concentration en fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme...) dans l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...). Les chercheurs ont pu déterminer les gènes impliqués selon les groupes d'espèces.

Des millions de gènes au rôle encore inconnu

Cette étude met également en évidence une proportion particulièrement élevée de gènes aux fonctions biologiques encore inconnues, et qui représente plus de la moitié du catalogue obtenu. Il apparait que ces gènes sans fonction définie s'expriment surtout dans un petit nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de conditions environnementales. Ils pourraient apporter une explication fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent d'autres en argument. Aujourd'hui, le terme a été étendu, et il...) à l'immense diversité des organismes observés dans le plancton océanique.


Extraction d'ARN au CEA-Genoscope
© CEA/F.Rhodes


Animal marin
© M. Ormestad-Kahikai-Tara Expéditions-Tara Ocean

Quels gènes pour quelles fonctions de la vie ?

Si la fonction des gènes du plancton peut désormais être étudiée globalement grâce à ce catalogue, il reste à identifier les organismes auxquels ils appartiennent. Dans un second article, les chercheurs de Tara Oceans caractérisent les génomes de plusieurs organismes majeurs dans l'environnement, mais qu'il est impossible pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.) de cultiver. Des cellules individuelles ont été prélevées et conservées pendant l'expédition, et leur ADN a pu être séquencé grâce aux méthodes en plein développement de la génomique (La génomique est une discipline de la biologie moderne. Elle étudie le fonctionnement d'un organisme, d'un organe, d'un cancer, etc. à l'échelle du génome, et non plus limitée à celle...) "cellule-unique". Ainsi, de nombreux gènes observés dans le catalogue ont pu être attribués à de très petits organismes (moins de 20 micromètres) se nourrissant d'algues et de bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent une paroi cellulaire...), et constituant un échelon intermédiaire fondamental de la chaîne alimentaire. Cette analyse a révélé une diversité de fonctions insoupçonnées, révélatrice de la spécialisation dans ce compartiment du plancton.

Comment l'océan a-t-il évolué, comment fonctionne-t-il ?

Grâce à ces travaux, le voile commence à se lever sur les petits organismes plus complexes que les bactéries qui constitueraient la majeure partie du plancton océanique. Ils ouvrent de nombreuses perspectives pour comprendre l'écologie océanique à l'aide de gènes marqueurs. Il devient entre autres possible d'étudier les processus biogéochimiques majeurs de l'océan sur la base de l'expression de ces marqueurs. Enfin, une compréhension des mécanismes évolutifs et écologiques de l'écosystème océan semble désormais à portée de la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...), en utilisant l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) des ressources en espèces, en gènes, et en gènes exprimés apportées par Tara Oceans.

Des gènes aux grands équilibres physiques

Mise en oeuvre par les 22 laboratoires impliqués principalement rattachés au CEA, CNRS, l'EMBL, l'ENS et la Fondation Tara Expéditions, Tara Oceans continue d'apporter des éléments majeurs pour décrire le rôle de l'océan dans la "machine" planétaire. Pour relier les gènes océaniques aux phénomènes physiques globaux comme le climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée pendant une période de temps...), les chercheurs doivent encore comprendre dans quelles conditions les gènes s'expriment ou non, et à quels organismes ils appartiennent. L'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique, philosophie, littérature, et bien d'autres domaines :) ouvert par cette expédition n'en finit pas de s'élargir.

Notes:

(1) Sorbonne Université, Université d'Evry Val d'Essonne et Université Paris-Saclay


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Source: CNRS