La communication chez les micro-organismes

Tout dans la nature est utile, Aristote

Tout se passe 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 possible la recherche d’intérêts partagés. La lutte pour l’existence voisine avec l’aide mutuelle et la coopération. Il convient alors pour les différents individus d’être capable de rapidement discerner les prédateurs des proies au milieu d’un environnement peuplé de partenaires et de concurrents. Il s’agit d’évaluer en une fraction de seconde ou bien de soupeser sur le long terme des avantages et des inconvénients. Des erreurs pourraient s’avérer gênantes.

Parmi les petits animaux, Aristote s’intéresse longuement à l’abeille dont l’organisation sociale est considérée comme un modèle de celui des sociétés humaines. Le premier des scientifiques voit en l’abeille un animal divin, capable d’une pensée collective et politique. Ses travaux remarquables incluent sans doute quelques erreurs liées à des à priori socio-culturels, à l’impossibilité de l’observation, à la facilité de l’anthropomorphisme, effet littéraire et comique que nous allons parfois employer ici. Mais diminuons encore la taille de l’organisme et intéressons nous au présent. Que se passe-t-il chez les très petits en terme de communication ?

Les micro-organismes se multiplient et se propagent rapidement, par clonage. De récentes découvertes montrent qu’ils disposent en plus de systèmes biochimiques et de canaux spécialisés dans la communication. Les membres d’une colonie “parlent” entre eux : ils votent. Plus précisément, ils sont programmés pour organiser de manière cyclique des échanges d’information dont les mécanismes s’apparentent quelque peu à ce que l’homme appelle un référendum. Il construisent aussi des réseaux sociaux qui leur permettent d’échanger des éléments nutritifs et de l’information. Des molécules biochimiques constituent des micro-langages associés à des fonctions particulières, que des individus isolés ne peuvent pas mettre en oeuvre. Cela mérite quelque attention. Les microbiotes n’ont pas de message politique à faire passer aux hôtes qui les héberge, mais ils utilisent des méthodes voisines !

Lutte pour l’existence (en), Anthropomorphisme, Microbiote

Aristote et le monde de la Ruche, Simon Byl, 1978, Article

La communication chez les bactéries

Indépendants des mécanismes de reproduction et de transfert d’ADN, des phénomènes de communication concernent les colonies bactériennes. Des “comportements de groupe” sont induits par des messages moléculaires que les bactéries échangent entre elles. La détection du quorum (quorum sensing) est mise en évidence en 1985 chez Vibrio fischeri, une bactérie responsable de la bioluminescence du calmar Euprymna scolopes. Le petit mollusque vit la journée enfoui dans le sable des eaux peu profondes d’Hawaï. Il est actif la nuit et sa bioluminescence remplit alors plusieurs fonctions. Elle permet au calmar d’effacer l’ombre projetée sur les fonds par les faibles lumières nocturnes et d’échapper ainsi aux prédateurs. Le mollusque peut encore expulser brusquement un nuage de bactéries bioluminescentes et désorienter un poisson.

Vibrio fischeri

A gauche, le calmar Euprymna scolopes, à droite une colonie bioluminescente de Vibrio fischeri, ainsi que la paroi du mollusque au niveau de laquelle s’effectue des échanges. http://jgi.doe.gov/why-sequence-vibrio-fischeri/

Les micro-organismes vivent rassemblés en colonies au niveau d’organes spécialisés. Une augmentation de la concentration en N-acyle homosérine lactone (NAHL) présente dans le milieu bactérien déclenche la bioluminescence. En absence de NAHL aucune bioluminescence n’est constatée. La molécule auto-inductrice est sécrétée par les micro-organismes et diffuse à travers la paroi bactérienne. Lorsque la concentration dépasse un certain seuil, la bioluminescence se déclenche. Les aspects génétiques du phénomène 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 du phénomène.

De plus, les colonies bactériennes interagissent avec leur hôte en régulant son rythme biologique. Des messages spécifiquement associés à la présence de microbes, MAMP pour Microbe-Associated Molecular Pattern, modulent l’expression des gènes du rythme circadien du céphalopode. Au petit matin, le calmar éteint la lumière. Il expulse 95% des bactéries et s’enfouit dans le sable pour dormir. Vibrio fischeri se retrouve alors sous forme de cellule isolée dans le milieu marin. La bactérie a acquis au cours de l’évolution des capacités remarquables liées à son double mode de vie. Des services sont échangés entre l’hôte et le symbionte. L’un fournit l’énergie et les nutriments, contrôle les populations. L’autre rend possible le camouflage. Vibrio fischeri vit en symbiose avec de nombreux autres mollusques et poissons qui utilisent sa bioluminescence. D’autres phénomènes symbiotiques restent sans doute à découvrir chez le calmar, animal modèle des associations hôte-microbe et de la socio-microbiologie marine.

Au-delà de Vibrio fischeri, la détection du quorum s’avère être un mécanisme général, commun à plusieurs espèces bactériennes. De multiples molécules jouent ainsi le rôle de messager. Ce même mécanisme microscopique commande différents phénomènes visibles au niveau macroscopique, . Des “comportements de groupe” induits par ces langages bactériens incluent la virulence, la formation de bio-films, la production d’antibiotiques, la conjugaison, la sporulation ou la compétence. Par ailleurs, le gène de la luciférase sert de gène rapporteur, commode pour étudier l’expression génique en biologie moléculaire quelque soit l’espèce. La détection du quorum est un domaine de recherche particulièrement actif en microbiologie, avec des applications possibles dans les domaines de l’industrie, de la pharmacie, voire des loisirs.

Détection du quorum, Aliivibrio fischeri, Euprymna scolopes, Luciférase

  • Shedding light on bioluminescence regulation in Vibrio fischeri, 2012, Madison, USA, Article
  • Chemicals promoting the growth of N-acylhomoserine lactone-degrading bacteria, 2013, France, CNRS, Brevet
  • http://www.glowee.fr/
Auto-induction de la bioluminescence et symbiose

Auto-induction de la bioluminescence et symbiose en milieu marin

Réseaux de nanotubes bactériens

Evidemment, pour que la communication chez les bactéries soit plus efficaces, il conviendrait qu’une sorte de réseau existe, basé sur la diffusion ciblée via un canal de messages d’information. C’est précisément la fonction des nanotubes bactériens que les scientifiques mettent en évidence à l’aide de différentes techniques incluant la microscopie électronique. Ces nanotubes sont utilisés pour l’échange de nourriture mais aussi pour l’échange de molécules contenant de l’information comme des messagers biochimiques ou de l’ADN. Dans le cas de l’ADN, on parle plutôt de pili de conjugaison ou pili sexuels que de nanotube.

Pilus (en)

  • Intercellular Nanotubes Mediate Bacterial Communication, 2011, Paris, France, Article

nanotube

La communication chez les virus

Les virus dont la taille est de l’ordre du micron se situent aux frontières du vivant. Pourtant, un système de communication vient d’être mis en évidence chez eux également : un message commande les décisions de lyse ou de lysogénie. Tout se passe “comme si” les bactériophages tempérés étaient capables d’exploiter à leur profit ou bien au contraire de préserver leur hôte, et ceci grâce à un système similaire à la détection du quorum spécifique aux bactéries.

Deux possibilités existent pour le virus : se multiplier à l’identique en grand nombre et provoquer la lyse de l’hôte ou bien rester silencieux, intégré au génome bactérien en préservant l’hôte. Un récent article scientifique met en évidence le rôle d’un peptide de six acides aminés qui régule par sa présence ou son absence le cycle de vie viral. Dans le schéma ci-dessous, le choix de la lyse ou de la lysogénie est expliqué. L’ADN viral est rouge, en vert celui de la bactérie.

Lyse et lysogénie chez le bactériophage

Lyse et lysogénie chez le bactériophage : Article

Le peptide de communication émis dans le milieu par le virus contient six acides aminés Ser-Ala-Ile-Arg-Gly-Ala. Il est nommé «arbitrium» du mot latin signifiant décision. Plusieurs éléments guident les conclusions des auteurs. L’addition aux cellules infectées d’un peptide synthétique entraîne la diminution de la lyse. Le taux du peptide augmente au cours de chaque cycle infectieux du phage.

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 : Article

Dans un premier temps (à gauche : figure a et figure b) le virus en bleu infecte la cellule hôte en injectant son ADN. Celui-ci contient 134 000 nucléotides codant pour 185 protéines. Trois gènes viraux rendent possible la communication. Ils codent respectivement pour :

  1. Le récepteur du peptide (gène aimR, Protéine R, en rouge),
  2. Le peptide de communication (gène aimP, pre-pro-peptide et peptide arbitrium, en jaune)
  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. Les différentes espèces de phages utilisent des micro-langages spécifiques qui guident des “comportements de groupe”. Ils disposent ainsi d’un vocabulaire réduit de nature biochimique. 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

Horizontal-gene-transfer

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 ? Tel est le genre de question qui intéresse grandement les biologistes. La nécessité de l’utilité pour faire face aux hasards du cycle de vie pourrait être une réponse pertinente. En tous cas, c’est l’idée qu’avance Jacques Monod dans son ouvrage de 1970 : Hasard et Nécessité. Des actions individuelles d’une part et collectives d’autre part se déroulent au sein d’écosystèmes de tailles variées. Au niveau microscopique, l’ADN brassé de multiples manières joue le rôle de micro-système d’information, capable de déclencher des actions logiques et d’en conserver une mémoire inscrite dans le génome. Des mutations dont le caractère avantageux doit être évalué sont sélectionnées.

Le cas des bactéries bioluminescentes fait bien ressortir l’importance des relations symbiotiques et le rôle des virus. Des interactions sont présentes chez tous les être vivants incluant les animaux et les végétaux. 8% environ du génome humain serait ainsi d’origine virale. Mitochondries et chloroplastes disposent de leur propre ADN et résultent d’une endosymbiose qui confère aux cellules qui l’ont adoptée le statut d’eucaryote. Des centaines de gènes sur les 20412 (2017) de l’espèce humaine résultent d’un transfert horizontal de gène survenu à différentes périodes de l’évolution. 

Au sein de multiples écosystèmes, des choix microscopiques collectifs s’avèrent stratégiques. Une sorte de culture est inscrite dans le génome des plus petits êtres vivants. Des effets macroscopiques en découlent. Les traces de ce petit peuple que constituent les bactéries, les virus et autres éléments biologiques étranges restent bien présentes et nous influencent considérablement sans que nous en ayons conscience. Plus encore, selon la théorie de Darwin renouvelée par la théorie du transfert génétique horizontal et par la théorie endosymbiotique, nous partageons avec eux des séquences et des gènes. Traces multiples d’ancêtres communs aujourd’hui disparus.

Eucaryote, Transfert horizontal de gènes, Réseau phylogénétique (en), Théorie endosymbiotique

  • Les humains sont apparentés aux virus, C. Gilbert, 2012, Article
  • Expression of multiple horizontally acquired genes is a hallmark of both vertebrate and invertebrate genomes, 2015, Cambridge, UK, Article
  • Widespread of horizontal gene transfer in the human genome, 2017, Shanghai, Chine, Article
virus-joke

Bah ! Nous étions « nano » avant qu’il soit cool d’être « nano » ! : Site. Un micro-système de communication de masse chez les bactériophages tempérés.

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