La communication chez les micro-organismes

Rien de ce qui se trouve dans la nature n’est inutile. Aristote

Tout se passe un peu comme si la nature ne faisait jamais rien en vain, si bien que les êtres vivants montrent une adaptation remarquable à leur milieu. Pourtant, l’environnement terrestre ressemble plus souvent à une sévère compétition entre individus, groupes d’individus et espèces à la conquête d’un territoire qu’à un long fleuve tranquille. Mais d’autre part, des échanges spécifiques et inter-spécifiques rendent parfois possible la recherche d’intérêts partagés. La lutte pour l’existence voisine aussi avec l’entraide et la coopération, voire la symbiose. Chez les micro-organismes également des sortes de choix politiques sont faits, génétiquement programmés, basés sur le concept d’échange de l’information et d’action en retour.

De récentes découvertes montrent que les microbes disposent de canaux spécialisés dans la transmission de l’information. Les membres d’une colonie “parlent” entre eux : ils votent en quelque sorte. Ils sont programmés pour organiser tous les jours des échanges de signaux dont le mécanisme s’apparente à ce que l’homme appelle un référendum. Des molécules biochimiques lorsqu’elles sont présentes en quantité suffisante déclenchent des comportements particuliers. Elles peuvent être assimilées à une sorte de langage spécifique d’une espèce. Trois cas de communication microbienne sont ici évoqués. 

  1. Bioluminescence : la symbiose calmar-bactérie
  2. Réseaux sociaux chez les bactéries
  3. Lyse ou lysogénie ? To be or not to be a phage ?

1. Bioluminescence : la symbiose calmar-bactérie

La détection du quorum (quorum sensing) est un phénomène mis en évidence en 1985 chez Vibrio fischeri, une bactérie responsable de la bioluminescence du calmar Euprymna scolopes. Ce petit mollusque vit la journée enfoui dans le sable des eaux peu profondes d’Hawaï. Il est actif et bioluminescent la nuit ce qui lui permet d’effacer l’ombre projetée sur les fonds par les lumières nocturnes et d’échapper ainsi aux prédateurs. De plus, un nuage de bactéries bioluminescentes peut être brusquement lâché en cas d’attaque d’un poisson. 

Les bactéries vivent en symbiose au niveau d’organes spécialisés dans lesquels des nutriments sont mis à disposition  par l’hôte. La N-acyle homosérine lactone (NAHL) est sécrétée par les bactéries la nuit. La concentration de cette molécule signal doit dépasser un certain seuil pour conduire au déclenchement de la bioluminescence. Au matin, la sécrétion bactérienne cesse. 

Vibrio fischeri
Euprymna scolopes à gauche, colonie de Vibrio fischeri bioluminescente,  à droite : Lien

Les aspects génétiques de la bioluminescence sont maintenant bien connus. Présent sur le deuxième chromosome de Vibrio, l’opéron luxICDABEG rassemble une batterie de gènes qui s’exprime de concert. Deux autres systèmes de quorum viennent stimuler l’expression de l’enzyme luciférase responsable de l’émission de photons. Vibrio fischeri  est par ailleurs capable soit de vivre isolée en mer, soit en symbiose avec d’autres mollusques et poissons qui tirent parti de sa bioluminescence.

Détection du quorum
Détection du quorum : Lien

Au-delà du cas Vibrio fischeri, l’émission d’une molécule biochimique qui sert de signal s’avère être un mécanisme général en microbiologie. De multiples molécules jouent le rôle de messager pour réguler des phénomènes visibles au niveau macroscopique. Des “comportements de groupe” induits par ces sortes de proto-langages bactériens induisent la virulence, la formation de bio-films, la production d’antibiotiques, la conjugaison, la sporulation ou la compétence. Les applications possibles du phénomène intéressent l’industrie et la pharmacie essentiellement.

Auto-induction de la bioluminescence et symbiose
  • Shedding light on bioluminescence regulation in Vibrio fischeri, 2012, Madison, Lien
  • Chemicals promoting the growth of N-acylhomoserine lactone-degrading bacteria, 2013, France, CNRS, Lien
  • Glowee : Lien

2. Réseaux sociaux chez les bactéries

Passons si vous le voulez bien à un autre phénomène de communication bactérienne. Pour que celle-ci soit plus efficace, il conviendrait en théorie qu’une sorte de réseau physique existe, analogue à un canal qui relie deux villes distantes. Des nanotubes appelés pili sont effectivement mis en évidence chez les micro-organismes. Ils rendent possible à la fois l’échange de nourriture et de molécules porteuses d’informations incluant des acides nucléiques (plasmides, chromosomes), favorisant ainsi la diversité génétique. Des pili dont les gènes sont localisés sur des plasmides jouent de multiples autres rôles. Des échanges inter-spécifiques peuvent se produire avec de tels mécanismes conduisant par exemple à la propagation de l’antibiorésistance.

Pilus (en)

  • Intercellular Nanotubes Mediate Bacterial Communication, 2011, Lien

nanotube

3. Lyse ou lysogénie ? To be or not to be a phage ?

Changeons une dernière fois d’organisme et intéressons nous aux phages tempérés présents dans l’ensemble de la biosphère. Deux possibilités existent pour ces virus : rester silencieux, intégrés au génome bactérien et préserver l’hôte ou bien se multiplier sous forme de phage et provoquer la lyse de l’hôte. Un système de communication vient d’être mis en évidence chez ces virus : un message guide les décisions de lyse ou de lysogénie. Un peptide  de six acides aminés seulement nommé «arbitrium» sert en quelque sorte de signal pour l’adoption d’un comportement viral collectif. 

Lyse et lysogénie chez le bactériophage
Lyse et lysogénie chez le bactériophage

Codé par les gènes du virus, le peptide «arbitrium» régule par sa présence ou non dans le milieu le choix de la lyse ou de la lysogénie. «arbitrium» signifie décision en latin. Il est aisément possible de comprendre le mécanisme mis en place par la nature pour qu’un virus puisse « faire des choix ». Le peptide est schématisé en jaune dans le schéma ci-dessous. 

Modèle mécaniste des décisions de lyse-lysogénie basées sur la communication, extrait de l’article de Nature.
Modèle mécaniste des décisions de lyse-lysogénie basées sur la communication chez le bactériophage tempéré : Lien

Dans un premier temps (à gauche : figure a et figure b) le virus en bleu infecte la cellule hôte (gris) en injectant son ADN. Trois gènes viraux rendent possible le mécanisme. Ils codent respectivement pour :

  1. Le gène aimR encode la Protéine R en forme de « C ». Cette protéine réceptrice interagit doublement et de manière compétitive avec la partie génétique régulatrice de la transcription nommée aimX (figure b) et avec le peptide arbitrium (figure c).
  2. Le gène aimP encode le pre-pro-peptide et le peptide arbitrium en jaune sur le schéma.
  3. Le régulateur de la lyse (gène aimX, ARN régulateur de la lyse, en vert).

Lors des premières infections, l’arbitrium est produit de manière intracellulaire en grande quantité sous forme d’arbitrium pré-pro-peptide. Il est libéré dans le milieu et rendu mature par action d’une protéase membranaire bactérienne, en mauve. Pendant ce temps, à l’intérieur de la cellule, la Protéine R se complexe au gène régulateur positif de la lyse aimX. L’ARN est exprimé. Il déclenche la formation de virus et finalement la lyse de l’hôte.

En présence d’arbitrium en concentration suffisante dans le milieu (à droite : figure a et figure c), la protéine membranaire OPP bactérienne spécialisée dans le transport des oligopeptides (tuyau gris sur la figure c) capte le peptide d’origine virale. Le récepteur R se complexe à l’arbitrium ce qui inhibe l’expression du gène aimX. La lyse est inhibée et la lysogénie s’ensuit. Le virus survit alors de manière silencieuse, intégré au génome de l’hôte sous forme de prophage. L’hôte est protégé jusqu’à ce que le virus entre de nouveau en phase lytique. La présence du message conduit à un comportement synchrone de l’ensemble des virus présents en un lieu donné.

L’équipe de recherche à l’origine de l’étude a trouvé plus de cent différents systèmes de communication viraux, actifs principalement chez Bacillus. La question de l’application de la communication virale à la production de molécules antivirales reste un sujet ouvert.

Bacillus, Bactériophage, Spbetalikevirus, Cycle lytique, Lysogénie, Prophage

  • Communication between viruses guides lysis–lysogeny decisions, R. Sorek et Al., 2017, Rehovot, Israel, Article
  • Do you speak virus? Phages caught sending chemical messages, E. Callaway, Nature news, 2017, Article
  • Communication between virus-infected cells, Virology blog, V. Racaniello, 2017, Article

Conclusion

Comment une multitude d’organismes du plus petit au plus grand s’y prend elle pour défier la flèche du temps ? Quelles fonctions s’avèrent nécessaire ? Quel rôles respectifs jouent la prédation, la reproduction et la communication ? Nous ne le savons pas vraiment.

Au niveau microscopique, l’ADN brassé de multiples manières joue le rôle de système d’information, capable de déclencher des actions logiques. Des éléments génétiques mobiles sont par ailleurs le moteur d’une certaine plasticité des génomes. Des actions individuelles d’une part et collectives d’autre part se produisent au sein d’écosystèmes de tailles variées dans lesquelles des communications intra et inter-spécifiques jouent un rôle probablement majeur.

Des interactions hôte-microbe conduisent selon les cas à des symbioses, à des toxicité ou à des infections. Ainsi, les eucaryotes ont intégré de longue date les mitochondries et chloroplastes d’origine bactérienne pour réaliser une endo-symbiose avantageuse pour les organismes de grande taille. Les virus et divers pathogènes jouent également le rôle de vecteur. Des centaines de gènes sur les 20412 (en 2017) de l’espèce humaine résultent d’un transfert horizontal de gène survenu à des périodes plus ou moins récentes de l’évolution.

Pour de multiples organismes adaptés à leur environnement, l’information (génétique, environnementale, sociale) induit l’action. Le produit de l’action est possiblement encodé en retour en information. En matière de communication, des choix microscopiques collectifs médiés par un signal préfigurent peut être au niveau évolutif la transduction du signal observée chez les eucaryotes.

Les traces de ce petit peuple étrange que constituent les bactéries, les virus et autres éléments mobiles sont inscrites en nous et nous influencent de multiples manières sans que nous en ayons conscience. Plus encore, nous partageons avec eux des séquences, des gènes et des fonctions. Traces multiples d’ancêtres communs doués de communication et aujourd’hui disparus.

Eucaryote, Multicellular organism (en), Théorie synthétique de l’évolutionTransfert horizontal de gènes, Théorie endosymbiotique, ÉpigénétiqueThéorie de l’informationHistoire de la pensée évolutionniste

  • Evogeneao: The Tree of Life Explorer : Site
  • Evolution biologique : Eléments mobiles, Article
  • Les humains sont apparentés aux virus, C. Gilbert, Article
  • Inter-kingdom signalling: communication between bacteria and their hosts, 2009, Article
  • Expression of multiple horizontally acquired genes is a hallmark of both vertebrate and invertebrate genomes, 2015, Cambridge, UK, Article
  • Epigenetic Inheritance and Its Role in Evolutionary Biology: Re-Evaluation and New Perspectives, 2016, Texas, USA, Article
  • Widespread of horizontal gene transfer in the human genome, 2017, Shanghai, Chine, Article
  • Joël Bockaert – La communication du vivant : de la bactérie à Internet, 2017, Vidéo
Horizontal-gene-transfer

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