Biofutur, le mensuel européen des biotechnologies

Un kit de survie aux changements climatiques

Agnès Vernet — 2013-04-09T03:00:00Z

Les espèces marines, notamment les échinodermes, devront s'appuyer sur toutes leurs compétences pour résister à l'acidification des océans. L'important étant d'avoir les bons outils.

Face aux changements, le vivant possède une arme très efficace : l'évolution. Les changements climatiques ne feront pas exception : les espèces tenteront d'ajuster leur métabolisme aux modifications environnementales. Pour le milieu marin, l'acidification des océans est l'un des principaux périls prévus. Or des recherches menées dans les universités américaines Stanford et de Californie à Davis révèlent l'incroyable capacité d'adaptation de l'oursin de mer pourpre Strongylocentrotus purpuratus en réponse à l'augmentation de la concentration en CO₂ dans son environnement.
Les échinodermes, larves ou adultes, ont été soumis à une eau enrichie en CO₂ à des taux issus de projections réalistes du pH des futurs océans. Durant cette expérience, les biologistes ont associé l'analyse croisée du transcriptome à des mesures de croissance et au suivi du polymorphisme de 19 493 loci.
Au stade larvaire, l'acidification du milieu entraîne une diminution de la taille des animaux, sans que cela soit lié à un ralentissement développemental ou à une diminution de la proportion de S. purpuratus compétents pour la métamorphose. Selon les chercheurs californiens, ces observations sont cohérentes avec l'augmentation du coût énergétique nécessaire à la formation du squelette lorsque la concentration en CO₂ est élevée. Les analyses ont aussi mis en évidence des variations dans l'expression de gènes impliqués dans la composition de la membrane plasmique et le transport ionique. Il semblerait que les larves, favorisées par des conditions de pH bas, soient issues d'une sélection garantissant un meilleur taux de survie grâce à des allèles stratégiques.
La faculté d'adaptation des espèces marines semble donc immense. Mais les chercheurs californiens posent deux conditions indispensables à l'évolution du vivant en réponse aux changements climatiques. Premièrement, les populations auront besoin d'une forte richesse génétique afin d'augmenter leurs chances de posséder les allèles pertinents et, deuxièmement, ces organismes devront être assez robustes pour surmonter la disparition de certains groupes au sein de l'espèce. Ce dernier point évoque l'importance de la coopération écologique et du potentiel reproductif.

Pespeni MH et al. (2013) Proc Natl Acad Sci USA,
doi:10.1073/pnas.1220673110

S. purpuratus en métamorphose
© Eric Sanford

Briller pour être vu ou se camoufler

Agnès Vernet — 2013-03-20T04:00:00Z

La bioluminescence des requins Etmopterus spinax leur permet à la fois de se camoufler et de repousser des prédateurs.

La bioluminescence reste un phénomène peu connu. On ne comprend pas finement ses mécanismes chimiques et on ne sait pas toujours expliquer sa fonction écologique. Des travaux menés par Julien Claes, au cours d'un contrat post-doctoral à l'Université catholique de Louvain, en Belgique, sur un petit requin, le sagre commun (E. spinax), montrent que selon l'emplacement des zones de bioluminescence le message peut-être très différent.
Ainsi, lors de sa thèse, le jeune chercheur avait déjà démontré que la bioluminescence ventrale permet à E. spinax de se confondre avec la lumière ambiante et d'être camouflé lorsqu'il mène une attaque par le dessus. Il met en lumière aujourd'hui une autre zone morphologique luminescente et propose une fonction écologique complètement différente. À l'occasion d'un voyage d'étude en Norvège, Julien Claes a observé que les épines dorsales du petit requin émettent de la lumière. L'étude histologique de ces tissus révèle la transparence des structures osseuses, qui laissent apparaître les photophores sous-jacents. L'analyse des caractéristiques optiques de cette luminescence, associée à une théorie récente qui met en exergue l'importance de la vision dans les relations interespèces en profondeur, a permis à Julien Claes et ses collaborateurs de l'Institut des colloïdes et des interfaces de Postdam et de l'Université de Lund en Suède, de déterminer la distance à laquelle ces structures dorsales peuvent être repérées : elles sont visibles par les autres poissons ou mammifères à plusieurs mètres.
Grâce à une approche intégrative, liant l'étude structurale des organes, leurs performances optiques et la modélisation de l'ensemble dans le contexte écologique, les chercheurs ont ainsi pu proposer une fonction pour cette bioluminescence : étant visible de loin dans les eaux sombres, les épines dorsales lumineuses seraient des outils défensifs. Elles informeraient à distance les autres prédateurs de la présence d'E. spinax et les dissuaderaient de s'aventurer dans le secteur. Ces recherches proposent une méthode multidisciplinaire pertinente pour étudier des animaux trop fragiles pour être arrachés à un milieu difficile d'accès pour l'homme.

Claes JM et al. (2013) Sci Rep, doi:10.1038/srep01308

E. spinax sur lequel on remarque les épines dorsales luminescentes.
© J. Mallefet FNRS-UCL

Une solidarité sans limite entre extrêmophiles

Agnès Vernet — 2013-03-08T04:00:00Z

Mécanisme majeur de l'évolution des procaryotes, le transfert horizontal de gènes traverse les règnes.

Pour survivre à des environnements toxiques, les êtres vivants doivent démontrer des aptitudes bien particulières : rapidité et efficacité d'adaptation, mais aussi solidarité avec les autres êtres vivants, même s'ils appartiennent à d'autres règnes.
Des recherches menées au sein de différentes universités américaines et allemandes, ainsi qu'à l'Université Lille 1, ont permis de découvrir que l'algue rouge Galdieria sulphuraria, un organisme unicellulaire qui vit dans des sources volcaniques soufrées, doit au moins 5 % de ses gènes codant des protéines à des bactéries ou à des archées via des mécanismes de transfert horizontal, soit l'intégration de gènes provenant d'un individu non apparenté. Bien que ce type de transfert ne soit pas le mécanisme préféré des eucaryotes, qui penchent plutôt pour l'expansion de génome à travers la duplication de gènes et la néofonctionalisation – une des deux copies acquiert une nouvelle fonction –, il a déjà été identifié chez des algues unicellulaires. Mais il n'avait jamais été relié à l'acquisition de compétences indispensables à la survie.
En séquençant le génome de G. sulphuraria et après des analyses phylogéniques, les biologistes ont identifié au moins 75 gènes issus de bactéries ou d'archées, ce transfert étant, le plus souvent, suivi d'une expansion génique. Deux mécanismes qui ont permis à l'algue d'acquérir des talents très utiles en milieu toxique, tels la capacité à réduire les métaux lourds ou à utiliser le glycérol comme source de carbone.

Schönknecht G et al. (2013) Science 339, 1207-10

G. sulphuraria (en jaune) à proximité des sources d'eau chaude de Seltun, près de Reykjavik, en Islande.
© avec l'aimable autorisation de Christine Oesterhelt

La chasse à la résistance est ouverte

Agnès Vernet — 2013-02-27T04:00:00Z

Une cartographie génétique de la résistance des coraux aux perturbations environnementales constituerait un atout pour leur préservation.

Face aux menaces qui pèsent aujourd'hui sur les coraux, comme le changement climatique ou la baisse de la qualité de l'eau, de grandes campagnes de génotypage sont à l'œuvre pour caractériser les populations les plus sensibles et les plus résistantes. L'équipe de Petra Lundgren, de l'Institut australien de science marine, s'inscrit dans cette démarche. Elle a étudié les polymorphismes nucléotidiques simples (SNP) en corrélation avec des paramètres environnementaux comme la transparence ou la température de l'eau chez deux espèces de la Grande barrière : Acropora millepora et Pocillopora damicornis (types α et β).
Des SNP pertinents ont ainsi pu être identifiés dans les échantillons d'A. millepora, en ne ciblant que les gènes soupçonnés d'être impliqués dans la résistance au stress thermique. Chez P. damicornis, l'analyse a révélé une variation de fréquence allélique importante fonction de l'environnement.
Les résultats de cette méthode ciblée montrent qu'un lien statistique existe entre des génotypes particuliers et des paramètres environnementaux extrêmes dans plus de 55 % des loci testés. Pour les sous-populations de P. damicornis, par exemple, les allèles des gènes de la β-hexosaminidase et du facteur d'élongation 1-α sont liés à la température pour le type α et à la transparence de l'eau pour le type β. Ces loci semblent de bons candidats marqueurs pour développer des stratégies de caractérisation rapide des génotypes de résistance aux perturbations environnementales.
À terme, ces données pourraient intégrer un ensemble de marqueurs génétiques constituant un outil de gestion de la conservation et de la protection des espèces coralliennes. Les auteurs imaginent ainsi dresser une carte des populations tolérantes aux changements climatiques associée à des informations génétiques afin d'identifier les récifs nécessitant des mesures de conservation prioritaires.

Lundgren P et al. (2013) BMC Genet, doi:10.1186/1471-2156-14-9

P. damicornis © Haplochromis via Wikimedia Commons

Microbataille navale

Safi Douhi — 2013-02-14T11:21:13Z

Deux micro-organismes marins parmi les plus répandus de la planète se livrent une guerre secrète depuis des centaines de millions d'années.

SAR11 est l'organisme le plus répandu dans les océans. L'extraordinaire prédominance de cette bactérie au rôle majeur dans le cycle du carbone est une énigme pour les chercheurs qui rivalisent de théories pour expliquer son invulnérabilité. Sa petite taille et sa vaste dispersion étaient, jusque-là, les deux raisons plausibles. Jusque-là car des chercheurs de l'Université de l'Oregon, de l'Université du Wisconsin-Madison, de l'Université de Californie à San Diego et de l'Université d'Arizona ont découvert que SAR11 n'échappe à aucune règle et a donc bien des "prédateurs".
Il s'agit de quatre bactériophages, baptisés "pélagiphage" par les chercheurs (du latin pelagicus, relatif à la haute mer), des virus infectant les bactéries appartenant, pour trois d'entre eux – HTVC011P, HTVC019P et HTVC010P –, à la famille des Podoviridae, le dernier, avec sa structure caudale contractile, appartenant à celle des Myoviridae. Une classification d'ailleurs confirmée par le séquençage du génome des quatre pélagiphages.
Une analyse métagénomique de prélèvements marins, effectués le long de la côte de l'Oregon et aux Bermudes, a révélé l'abondance de ces génomes viraux dans les océans, en particulier du pélagiphage HTVC010P. D'après les résultats des analyses, cette sous-famille de virus pourrait être une des plus nombreuses de la biosphère terrestre.
Cette découverte réfute donc la supposée invulnérabilité de SAR11 aux infections virales, dont l'explication ne reposait que sur la surabondance de la bactérie. Ses prédateurs se révèlent d'ailleurs tout aussi abondants. En plus de la découverte de ses prédateurs, ces travaux ont permis de montrer que SAR11 est une bactérie compétitive, très efficace pour dénicher et métaboliser le carbone organique (CO₂), ainsi que pour muter afin d'éviter l'infection. Grâce à cette stratégie, elle prospère... même si plusieurs millions d'individus sont tués chaque seconde par les pélagiphages.

Zhao Y et al. (2013) Nature, doi:10.1038/nature11921

Une bactérie SAR11 infectée par le pélagiphage HTVC011P.
© Oregon State University

Des bactéries bipolaires

Agnès Vernet — 2013-01-16T04:00:00Z

La distribution des micro-organismes marins révèle l'existence de bactéries spécifiques des pôles et agite la microbiologie environnementale.

« Tout est partout mais l'environnement sélectionne ». Cette hypothèse formulée en 1934 par le microbiologiste néerlandais Lourens Baas-Becking semble sur le point de s'effondrer. Ce principe fondateur de la microbiologie environnementale suggère qu'en l'absence de frontière physique, les micro-organismes se répandent dans tous les milieux et se développent avec plus ou moins de zèle selon les conditions. C'est ce que les spécialistes appellent le « cosmopolisme bactérien ». Mais l'analyse des grandes bases de données construites au cours de la dernière décennie met en péril cette assertion.
Des recherches dirigées par le laboratoire américain de biologie marine à Woods Hole, avec la participation des universités de Hawaï et Brown, démontrent, en effet, l'existence d'une distribution strictement bipolaire de certaines espèces bactériennes et jettent ainsi le voile sur l'hypothèse de Baas-Becking.
Les biologistes ont travaillé sur les données issues du séquençage systématique des échantillons marins recueillis lors d'expéditions entre 2004 et 2010, dans le cadre du projet de Recensement international des microbes marins (ICoMM). Ils ont ainsi comparé 4,23 millions de séquences de la région hypervariable V6 de l'ARN ribosomique 16S bactérien. Ils ont ensuite analysé ces données en relation avec les informations géographiques associées aux échantillons grâce à des outils bio-informatiques.
Il apparaît que la distribution des bactéries suit un motif biogéographique plus proche de celui des organismes macroscopiques. Certains taxons bactériens s'avèrent spécifiques des deux pôles. Selon Linda Amaral-Zetter, du laboratoire de Woods Hole, « cela suggère qu'il existe des forces qui limitent la dispersion des bactéries dans l'Océan ». Elle pense « que les masses d'eau pourraient s'avérer de potentielles frontières ».
Ainsi, les courants océaniques ou, dans certains cas, les barrières géochimiques pourraient impacter la distribution des micro-organismes marins. Ce qui implique que les changements climatiques et les variations de température, de pH ou de salinité influent sur la répartition géographique des bactéries marines. Des éléments qui tendent à confirmer la vulnérabilité accrue de ces espèces au réchauffement climatique.

Sul WJ et al. (2013) Proc Natl Acad Sci USA,
doi:10.1073/pnas.1212424110

Eaux de la péninsule Antarctique près de la station Palmer qui recueille des échantillons pour le projet ICoMM.
© Hugh Ducklow

Génomique en résilience pour les coraux

Agnès Vernet — 2013-01-08T04:00:00Z

Dans le déclin généralisé des massifs coralliens, certains individus résistent. Pour comprendre comment, des recherches américaines analysent leurs transcrits en réponse au stress.

Les nouvelles approches du séquençage complet du transcriptome donnent accès à la caractérisation de la réponse génomique au stress. En appliquant cette approche au massif de corail Acropora hyacinthus, près de l'Ile Ofu, dans les Samoa américaines, des chercheurs de la station marine Hopkins de l'université californienne Stanford ont identifié une soixantaine de gènes impliqués dans la résilience aux variations de température. Dans ce massif, deux populations ont été préalablement caractérisées : l'une est thermorésistante et l'autre normalement sensible. Cette divergence semble liée à une grande variabilité de l'environnement de ces massifs. On y observe naturellement des changements de température dont l'amplitude peut aller jusqu'à 6 °C dans la même journée, des différences de pH et des fluctuations de la distribution en oxygène.
Les chercheurs de Stanford ont ainsi comparé les transcriptomes de ces deux populations lors d'une expérience de blanchiment. Des échantillons des deux phénotypes ont été exposés à une température de 29,2 °C ou de 32,9 °C pendant 72 heures. Les biologistes américains ont ensuite récupéré et séquencé les transcrits. Il est alors apparu que l'expression de plusieurs centaines de gènes était modifiée par le stress thermique. Parmi les gènes surexprimés, une soixantaine ont retenu l'attention des biologistes : chez les coraux thermotolérants, leur expression a moins varié que chez les coraux thermosensibles, leur niveau basal étant plus important chez les coraux résistants. Ces gènes semblent donc impliqués dans l'endurance au stress.
L'étude de ces gènes confirme leur rôle dans l'adaptation aux variations de température. Il s'agit de gènes codant des protéines chaperonnes, des enzymes antioxydantes ainsi que de nombreuses molécules impliquées dans la régulation de l'apoptose, dans la suppression tumorale, l'immunité innée ou encore l'adhésion cellulaire.
En poursuivant l'analyse fine de ces gènes et de leur expression, il sera possible de comprendre le mécanisme en jeu dans la thermotolérance de certains coraux et dans leur résilience aux changements climatiques. Un point de vue précieux alors que les populations mondiales de coraux semblent irrémédiablement menacées.

Barshis DJ et al. (2013) Proc Natl Acad Sci USA,
doi:10.1073/pnas.1210224110

Extrêmophiles : trouver de l'énergie au noir

Agnès Vernet — 2012-11-27T04:00:00Z

La découverte d'une communauté bactérienne en Antarctique révèle une source d'énergie adaptée à l'obscurité, basée sur la géochimie.

La vie est partout, même à -13 °C, dans une saumure anoxique privée de lumière. Suite à des expéditions organisées en 2005 et 2010, notamment par le Desert Research Institute, des chercheurs américains et australiens viennent de mettre en évidence une communauté bactérienne, métaboliquement active et phylogénetiquement variée, dans une saumure prélevée à plus de 15 mètres de profondeur dans le lac Vida, en Antarctique (1). Cette eau d'environ 200 unités pratiques de salinité – environ 35 pour l'eau de mer – serait isolée des environnements de surface depuis plus de 2 800 ans, d'après de précédents travaux (2). Les biologistes ont pourtant caractérisé différentes espèces bactériennes actives, quoique faiblement. La recherche de sous-unités uniques d'ARN ribosomal a ainsi révélé la présence de 8 phylums bactériens distincts (Proteobacteria, Lentisphaera, Firmicutes, Spirochaeta, Bacteroidetes, Verrucomicrobia, TM7 et Actinobacteria). Cet écosystème ne s'appuyant pas sur les fruits d'une photosynthèse (présente ou passée), il fallait découvrir la source d'énergie de ce milieu apparemment clos et complètement privé d'oxygène.
La saumure prélevée dans le lac polaire révèle une légère acidité (pH=6,2) et d'importantes quantités de carbone organique, d'hydrogène moléculaire (H₂) et de composés oxydés ou réduits. Or, de tous les scénarios envisagés, un seul s'avère cohérent avec les analyses géochimiques : l'existence de réactions chimiques entre la saumure et la couche de sédiments sous-jacente. Caractérisée sur le site hypersalin du lac Don Juan, toujours en Antarctique, cette interaction eau-roche génère des composés oxydés et de l'H₂. Les chercheurs suggèrent donc que l'écosystème de la saumure du lac Vida utilise l'H₂ comme source d'énergie. Hypothèse d'ailleurs confortée par la présence de différentes familles de bactéries qui possèdent cette aptitude particulière, comme les Firmicutes ou les Bacteroidetes. Ces recherches éclairent d'idées nouvelles les sources d'énergies de la vie en milieu obscur.

(1) Murray AE et al. (2012) Proc Natl Acad Sci USA,
doi:10.1073/pnas.1208607109
(2) Doran PT et al. (2003) Proc Natl Acad Sci USA 100, 26–31

Touche pas à mon corail !

Agnès Vernet — 2012-11-13T16:18:35Z

À l'appel chimique du corail, des poissons s'attaquent à une algue toxique pour ce dernier. Un bel exemple de solidarité marine.

Attaqués par des algues toxiques, les coraux ne se laissent pas faire. Ils appellent à la rescousse des poissons « gardes du corps ». En effet, des chercheurs de l'Institut de technologie de Géorgie, à Atlanta aux États-Unis, ont découvert que des poissons mutualistes répondent à un signal chimique émis par les coraux (1). Danielle Dixson et Mark Hay se sont intéressés au corail commun Acropora nasuta. Ils se sont aperçus que les récifs abritant certaines espèces de poissons sont nettement moins touchées par les atteintes de l'algue toxique Chlorodesmis fastigiata que ceux qui n'ont pas ces hôtes.
En laboratoire, ils ont mis en contact le corail et l'algue, avec ou sans la présence de deux espèces de poissons herbivores ventouses, Gobidon histrio et Paragobidon enchinocephalus. Lorsque les poissons étaient présents, la quantité d'algue déclinait de 30 % et les atteintes du corail de 70 à 80 % comparées aux colonies de A. nasuta dépourvues de G. histrio et P. enchinocephalus.
En pratique, G. histrio et P. enchinocephalus commencent à tailler les filaments toxiques de C. fastigiata quelques minutes à peine après le contact entre les coraux et l'algue. D'après les auteurs, A. nasuta émet une « odeur » au contact de l'algue ou de ses émissions chimiques. Les « gardes du corps » perçoivent cette alarme et la suivent pour identifier le lieu de l'attaque. Véritables petits soldats, les poissons travaillent vite et éloignent soigneusement le poison végétal des coraux. G. histrio ingère C. fastigiata quand P. enchinocephalus se contente de la couper et de la recracher. En récompense, les deux espèces de poissons s'alimentent grâce au mucus spécifiques des coraux ou d'autres végétaux à la base des récifs.
Pour comprendre comment agit « l'odeur », les chercheurs ont prélevé de l'eau de mer à proximité du point de contact entre A. nasuta et C. fastigiata. Cette eau permet d'éloigner 17 à 19 sur 20 ventouses du récif qui les abritent en les attirant vers le lieu de dépôt de l'eau contenant « l'odeur ».
Tout comme la coévolution du système mutualiste décrit dans les années 1960, où des fourmis protègent les acacias qui les hébergent en Amérique centrale (2), ces poissons protègent leur habitat et leur garde-manger. Mais le signal émis par les coraux évoque aussi le phénomène des « plantes criant à l'aide » (défense indirecte) qui permet à certains végétaux d'attirer les prédateurs directs d'insectes herbivores s'attaquant à eux (3).

(1) Dixson DL & Hay ME (2012) Science 338, 804-7
(2) Janzen DH (1966) Evolution 20, 249-75
(3) Dicke M (2009) Plant Cell Environ 32, 654-65

Gobidon histrio avance dans le récif pour tailler l'algue toxique Chlorodesmis fastigiata.
© Avec l'aimable autorisation de Danielle Dixson

L'archée qui s'oppose à l'archétype

Agnès Vernet — 2012-11-08T16:40:07Z

Encore une surprise venant des fonds marins : les archées méthanogènes ne sont pas forcément méthanotrophes.

Le méthane est un des gaz à effet de serre les plus puissants. Mais que l'on se rassure, de gentils micro-organismes marins se chargent de l'inactiver. Comment ? C'est ce qu'il faut élucider. Voilà dix ans, les chercheurs de l'Université et de l'Institut Max Planck de Brême, en Allemagne, ont découvert dans le bassin sous-marin de Guaymas, au Mexique, un consortium thermophile archée-bactéries : l'archée ANME1 (ANaerobic MEthane-oxidizing archaea) oxyde le méthane de façon anaérobie et les bactéries du cluster HotSeep1 réduisent le sulfate en sulfite. À l'époque, les chercheurs avaient cru que cet ensemble utilisait directement le méthane comme source de carbone. Leurs dernières analyses suggèrent plutôt que le carbone issu du méthane n'est pas intégré aux lipides des archées ou des bactéries, mais que ANME1 et le cluster HotSeep1 utilisent le CO₂ présent dans l'eau. Ce n'est pas une surprise pour les bactéries mais l'archée méthanogène était classée parmi les organismes hétérotrophes. Les auteurs proposent de la qualifier de « chimio-organo-autotrophe », puisqu'elle oxyde le méthane.
Pourtant, ce dernier paraît avoir un effet « booster ». La production de lipides est nettement plus importante en sa présence. Les partenaires biologiques semblent donc croître sous l'influence du méthane. Les auteurs expliquent qu'il joue un rôle dans le catabolisme mais commentent aussi « que nous ne savons que vraiment peu de choses sur ces processus globaux ».

Kellerman MY et al. (2012) Proc Natl Acad Sci USA,
doi:10.1073/pnas.1208795109