Reproduire et comprendre l'évolution des bactéries dans un tube à essai
Publié par Michel le 21/12/2012 à 00:00
Source: CNRS
La capacité des bactéries à produire des mutations, et donc à s'adapter, évolue en fonction de leur environnement et de leur niveau d'adaptation. C'est ce que viennent de montrer des chercheurs du Laboratoire adaptation et pathogénie des micro-organismes (LAPM, CNRS/Université Joseph Fourier-Grenoble) (1), en collaboration avec le Génoscope (CEA/IG-Evry). Les mutations du génome (Le génome est l'ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une espèce codé dans son ADN (à l'exception de certains virus dont le génome est porté par des molécules d'ARN). Il contient...) des 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...) participent à leur capacité d'adaptation et sont, par exemple, responsables de l'émergence de bactéries multi-résistantes aux antibiotiques ou de bactéries pathogènes responsables d'infections nosocomiales. Comprendre l'évolution des mécanismes qui contrôlent l'apparition des mutations est donc essentiel pour améliorer la lutte contre ces micro-organismes. Ces résultats viennent d'être publiés dans la revue Proceedings of the National Academy of Science (PNAS).

Les mutations de l'ADN sont à l'origine des variations qui permettent l'évolution des organismes vivants. Elles peuvent avoir des effets positifs, négatifs ou neutres, et c'est l'équilibre entre ces différents effets qui va conduire à l'adaptation des organismes vivants à leur 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 écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à...). Comprendre comment la production de mutations varie au cours du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) est donc indispensable pour décrire les processus évolutifs.


Colonies provenant d'une souche hypermutatrice d'Escherichia coli.
© UJF

L'équipe dirigée par Dominique Schneider au sein du LAPM a utilisé la plus longue expérience d'évolution en cours dans le monde (Le mot monde peut désigner :) pour appréhender cette question. Dans le cadre de ce projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...), des populations bactériennes ont été initiées à partir d'une cellule unique d'Escherichia (Escherichia est un genre de bactéries de la famille des Enterobacteriaceae, qui colonise l'intestin de l'homme et d'autres animaux. L'espèce la plus répandue est E. Coli.) coli ("l'ancêtre") et sont cultivées nuit et jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil...), 365 jours par an, depuis 1988. Les chercheurs effectuent des prélèvements à intervalles réguliers sur ces populations, et les conservent, ce qui permet d'obtenir de véritables archives fossiles vivantes et d'analyser leur évolution. Au cours de cette longue expérience qui représente aujourd'hui plus de 55 000 générations (ce qui, à l'échelle humaine, correspond à près de deux millions d'années), les chercheurs ont identifié une population de bactéries qui a vu sa capacité à produire des mutations augmenter de plus de 100 fois, constituant ce que les généticiens appellent une population hypermutatrice, avant de constater que cette capacité continuait à évoluer...

En pratique, les chercheurs ont séquencé l'intégralité du génome bactérien à différents temps au cours de l'évolution (171 clones bactériens au total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition,...), 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 l'ADN,...) réalisé par le Génoscope). Les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) de séquençage ont été intégrées à la plateforme MicroScope, développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites...) au Génoscope, et comparées au génome de l'ancêtre. Après 20 000 générations, ils ont observé une augmentation très importante du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de mutations, la population étant devenue hypermutatrice. En effet, d'une moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans changer la...) d'environ 40 à 50 mutations par génome à 20 000 générations, les bactéries sont passées à une moyenne de plus de 700 mutations à 40 000 générations. Mais le plus étonnant est que cette évolution s'est produite en plusieurs étapes avec une augmentation massive (Le mot massif peut être employé comme :) du taux de mutation suivie d'une diminution de ce taux de mutation.

L'équipe de Dominique Schneider a pu décrypter les mécanismes moléculaires mis en jeu dans ce processus multi-étapes, en analysant la séquence des génomes entiers de ces bactéries. Au niveau évolutif, cette population bactérienne est passée successivement d'une étape où le taux de mutation était élevé, ce qui lui a permis de s'adapter à son environnement, à une étape où le taux de mutation a diminué mais est resté à un niveau intermédiaire, ce qui lui a permis de poursuivre son adaptation en conservant une probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un...) plus élevée de "trouver" des mutations bénéfiques, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en réduisant la proportion de mutations néfastes.

Grâce à cette expérience d'évolution en tube à essai, les chercheurs ont pu comprendre les différentes étapes qui président in vivo (In vivo (en latin : « au sein du vivant ») est une expression latine qualifiant des recherches ou des examens pratiqués sur un organisme vivant, par...) à l'apparition de bactéries mutantes. De telles bactéries hypermutatrices sont connues pour être associées à de graves problèmes de santé publique (La santé publique peut être définie de diverses manières. On peut en effet la présenter comme « l'étude, d'une part, des déterminants physiques, psychosociaux et socioculturels de la...), comme l'apparition de maladies nosocomiales et de bactéries multi-résistantes aux antibiotiques, ou de certains types de tumeurs chez les eucaryotes (2). Les chercheurs espèrent que le décryptage de ce processus au niveau de génomes entiers va permettre de modéliser le comportement des bactéries pathogènes, de contrôler leurs capacités d'adaptation, et, à terme, de développer de nouveaux outils thérapeutiques pour faire face aux infections bactériennes.

Notes:

(1) Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec le laboratoire Ecologie et évolution des microorganismes (UMR-S 722, Inserm/Université Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les...) Diderot) et une équipe américaine (Richard Lenski, Michigan State University), grâce à des financements de l'ANR.

(2) Organismes possédant un noyau cellulaire, par opposition aux bactéries (procaryotes).


Référence:

Mutation rate (La rate (en grec ancien σπλήν (splēn), en latin lien, d'où les adjectifs splénique et liénal) est un organe fragile,...) dynamics in a bacterial population reflect tension (La tension est une force d'extension.) between adaptation and genetic load, Sébastien Wielgoss, Jeffrey E. Barrick, Olivier Tenaillon, Michael J.Wiser, W. James Dittmar, Stéphane Cruveiller, Béatrice Chane-Woon-Ming, Claudine Médigue, Richard E. Lenski and Dominique Schneider.
PNAS, 17 décembre 2012.
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