Le microbiome océanique: un trésor pour la découverte d'enzymes et de molécules bioactives

Une nouvelle étude publiée dans Nature par une équipe internationale de chercheurs impliquant l'ETH Zürich, l'ICM Barcelona, l'EMBL, le CEA et le CNRS, dont le consortium Tara Oceans, révèle la diversité génomique du microbiome océanique ainsi que son potentiel pour la synthèse de composés biochimiques encore inconnus. En particulier, les chercheurs ont identifié une nouvelle famille de bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées...) marines dont le code génétique (Le code génétique désigne le système de correspondance mis en jeu lors de la...) pourrait conduire à de nombreuses applications biotechnologiques.


L'océan (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par...) est le plus grand habitat sur notre planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...), couvrant 71 % de sa surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...). Chaque goutte d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) contient des milliers de cellules microbiennes qui, ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...), forment le microbiome océanique. Cet écosystème complexe est le moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) des cycles biogéochimiques sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) et la base de nombreuses chaînes alimentaires globales. Grâce à de multiples missions d'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.), comme les expéditions Tara Oceans, nous avons aujourd'hui accès au matériel génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est...) d'échantillons récoltés à travers le globe. Cependant, plus de deux-tiers de ces données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) de séquençage ADN des communautés microbiennes marines (métagénomes) ne peuvent pas être associées à des génomes d'espèces connues. Cette biodiversité (La biodiversité est la diversité naturelle des organismes vivants. Elle s'apprécie...) largement inexplorée est une source probable de nombreux composés biochimiques nouveaux avec des applications potentielles dans les domaines des biotechnologies et de la médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la...).

En se basant sur les résultats de Tara Océans ainsi que sur d'autres projets internationaux (Les expéditions Malaspina et Biogeotraces, les séries temporelles d'Hawaii et des Bermudes), une équipe de scientifiques a analysé les métagénomes de plus de 1 000 échantillons d'eau de mer (L'eau de mer est l'eau salée des mers et des océans de la Terre.) couvrant tous les océans.

En utilisant des méthodes computationnelles dernier cri, les chercheurs ont pu reconstruire 26 293 génomes microbiens et ont révélé des milliers de nouvelles espèces. Ils ont intégré ces derniers à des génomes déjà publiés pour construire l'Ocean Microbiomics Database (OMD), qui représente 40 à 60 % des données métagénomiques collectées en pleine mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.).

L'exploration de cette ressource génomique (La génomique est une discipline de la biologie moderne. Elle étudie le fonctionnement...) a révélé plus de 40 000 clusters de gènes biosynthétiques (BGCs), des groupes de gènes encodant les voies de synthèses de composés biochimiques. Ces BGCs ont pu être groupés en 7 000 familles, la moitié desquelles sont prédites comme étant nouvelles. En plus de leurs fonctions écologiques cruciales, beaucoup de ces composés (aussi appelés métabolites spécialisés) sont probablement importants d'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) biotechnologique ou médical.

En étudiant la distribution de ces voies de synthèses, les chercheurs ont découvert une nouvelle lignée de bactéries avec un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) et une diversité particulièrement élevés de BGCs. Cette famille bactérienne a donc été nommée après Eudora, la Néréide (nymphe océanique) des cadeaux précieux dans la mythologie grecque. Pour explorer ses promesses, l'équipe a analysé expérimentalement deux de ces BGCs et a effectivement caractérisé de nouvelles enzymes biosynthétiques et composés naturels. La première voie de synthèse, appelée phospeptin, produit un peptide qui inhibe les protéases, fournissant un nouveau châssis (Un châssis est un cadre rigide ou mobile fait d'une matière résistante, destiné à entourer ou...) chimique pour le potentiel développement de thérapeutiques. La seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) voie de synthèse, appelée pythonamide, produit un nouveau peptide, particulièrement long et complexe ainsi qu'une nouvelle famille d'enzymes capable de catalyser l'addition (L'addition est une opération élémentaire, permettant notamment de décrire la...) de groupement méthyl sur la colonne vertébrale (La colonne vertébrale, ou rachis, est un empilement d'os articulés appelés...) des protéines - une réaction très difficile qui pourrait être particulièrement utile dans le cas de certaines applications biotechnologiques.

Ce travail fournit une vision sans précédent des microbes à travers les océans du monde (Le mot monde peut désigner :) ainsi que leurs capacités biosynthétiques. Cette compilation représente un atlas pour guider les recherches futures, que ce soit dans les domaines de l'écologie marine, l'évolution, les biotechnologies ou les produits naturels. En combinant des méthodes computationnelles et moléculaires, l'équipe a pu identifier les fonctions de séquences génétiques provenant de microbes appartenant à des lignées inconnues et dont aucun membre n'a été cultivé jusqu'à présent.

Cependant, les chercheurs n'ont caractérisé que deux voies de synthèses parmi des milliers. Une immensité de composés biochimiques et d'enzymes biosynthétiques reste donc à découvrir et l'OMD est en accès libre (https://microbiomics.io/ocean/) en tant que ressource pour la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...). Les chercheurs invitent donc les scientifiques du monde entier à les joindre dans leur exploration de la diversité microbienne marine pour dévoiler de nouvelles enzymes, voies de synthèses et métabolites spécialisés, et élucider leurs fonctions écologiques ainsi que leurs potentielles applications.

Cette étude vient également s'inscrire dans la Décennie (Une décennie est égale à dix ans. Le terme dérive des mots latins de decem « dix »...) des Nations Unies pour les Sciences Océaniques en étudiant le potentiel du microbiome océanique pour la bioprospection et montrant la nécessité d'en apprendre davantage à son sujet. Un article, dirigé par Tara Océans, a été publié simultanément dans la revue Nature Microbiology (https://www.nature.com/articles/s41564-022-01145-5) et reprend ces points de manière plus générale en décrivant les priorités de la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) sur le microbiome océanique pour les années à venir.

Laboratoires CNRS impliqués:

- Global Oceans Systems Ecology & Evolution (GO-SEE - AMU / CNRS / CEA / Ecole Centrale de Nantes / ENS / EPHE / EMBL / Fondation Tara Océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau...) / IRD / Inserm / Nantes Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) / Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du...) Université / Université Australe du Chili / Université d'Evry Val d'Essonne / UPVD / Université de Toulon (L' Université du Sud Toulon-Var est une université publique située à Toulon en...) / UGA / UPSL / Université Paris-Saclay)
- Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....) de l'Ecole Normale Supérieure (IBENS - CNRS / INSERM / ENS)
- Génomique Métabolique (GM - CEA / CNRS / Université d'Evry-Val-d'Essonne.

Ce projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) contribue à améliorer notre connaissance de la vie (La vie est le nom donné :) microbienne dans les océans et la découverte de nouvelles voies de biosynthèse, enzymes et molécules bioactives ouvre les portes à des applications dans le domaine de la santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste...).

Référence:
Paoli L, Ruscheweyh HJ, Forneris CC, Hubrich F, Kautsar S, Bhushan A, Lotti A, Clayssen Q, Salazar G, Milanese A, Carlström CI, Papadopoulou C, Gehrig D, Karasikov M, Mustafa H, Larralde M, Carroll LM, Sánchez P, Zayed AA, Cronin DR, Acinas SG, Bork P, Bowler C, Delmont TO, Gasol JM, Gossert AD, Kahles A, Sullivan MB, Wincker P, Zeller G, Robinson SL, Piel J, Sunagawa S. Biosynthetic potential of the global ocean microbiome.
Nature. 2022 Jun 22. doi: 10.1038/s41586-022-04862-3. Epub ahead of print. PMID: 35732736.

Contact:
Lucas Paoli - Department of Biology, Institute of Microbiology and Swiss Institute of Bioinformatics, ETH Zurich, Switzerland
paolil at ethz.ch