La communication chez les micro-organismes

Tout dans la nature est utile.

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 avec l’aide mutuelle et la coopération, voire la symbiose.

Parmi les petits animaux, Aristote s’intéresse longuement à l’abeille et à son organisation sociale qu’il considère être un modèle des sociétés humaines. Le premier des scientifiques voit en l’abeille un animal divin, capable d’une pensée collective et politique, donc doué de calcul, de mémoire et de communication. Mais diminuons encore la taille de l’organisme et passons au présent. Comment de microscopiques êtres vivants transmettent ils l’information ?

De récentes découvertes montrent que les micro-organismes (bactérie, virus et autres) disposent 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. Des molécules biochimiques constituent des sortes de micro-langages qui déclenchent des comportements particuliers. Les bactéries construisent encore des réseaux sociaux qui leur permettent d’échanger de manière plus ou moins ciblée des éléments nutritifs de même que des molécules porteuses d’informations. 

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

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

La symbiose calmar-bactérie bioluminescente

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.

Ce petit mollusque vit la journée enfoui dans le sable des eaux peu profondes d’Hawaï. Il est actif la nuit et sa bioluminescence permet au calmar d’effacer l’ombre projetée sur les fonds par les faibles lumières nocturnes et d’échapper ainsi aux prédateurs. Un nuage de bactéries bioluminescentes peut être brusquement lâché en cas de prédation. Côté Vibrio fischeri, la vie en symbiose au niveau d’organes spécifiques offre des avantages en matière de reproduction. La N-acyle homosérine lactone (NAHL) est sécrétée par les micro-organismes et diffuse à travers la paroi bactérienne. Une augmentation de la concentration de cette molécule conduit au déclenchement de la bioluminescence.

Vibrio fischeri

Photo de gauche, le calmar Euprymna scolopes, à droite une colonie bioluminescente de Vibrio fischeri, ainsi que la paroi bien différenciée du mollusque au niveau de laquelle s’effectue des échanges interspécifiques : Site

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 de l’émission de photons. De plus, la bactérie Vibrio fischeri vit en symbiose avec de nombreux autres mollusques et poissons qui utilisent sa bioluminescence. 

Au-delà de Vibrio fischeri, la détection du quorum s’avère être un mécanisme général, commun à différentes espèces bactériennes. De multiples molécules jouent le rôle de messager pour réguler différents phénomènes visibles au niveau macroscopique. Des “comportements de groupe” induits par des sortes de langages bactériens incluent la virulence, la formation de bio-films, la production d’antibiotiques, la conjugaison, la sporulation ou la compétence. 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.

Auto-induction de la bioluminescence et symbiose

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/

Réseau social chez les bactéries

Evidemment, pour que la communication chez les bactéries soit plus efficace, il conviendrait qu’une sorte de réseau existe, basé sur la diffusion de messages d’information via un canal. Des nanotubes sont effectivement mis en évidence. Ils rendent possible à la fois l’échange de nourriture et l’échange de molécules porteuses d’informations incluant des acides nucléiques.

Pilus (en)

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

nanotube

Le choix de la lyse chez le bactériophage tempéré

Les virus dont la taille est de l’ordre du micron se situent aux frontières du vivant. Un système de communication similaire vient d’être mis en évidence : un message guide 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. 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. 

Lyse et lysogénie chez le bactériophage

Lyse et lysogénie chez le bactériophage : Article

Un peptide de six acides aminés régule par sa présence ou son absence le choix de la lyse ou de la lysogénie. Il est nommé «arbitrium» du mot latin signifiant décision et 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 : Article

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

  1. Le récepteur du peptide (gène aimR, Protéine R, en rouge), qui interagit doublement et de manière compétitive avec une partie régulatrice de la transcription et avec le peptide de communication.
  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. 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. 

Horizontal-gene-transfer

Au niveau microscopique, l’ADN brassé de multiples manières joue le rôle de système d’information, capable de déclencher des actions logiques en fonction du stade de développement et des variations de l’environnement, et d’en conserver une trace inscrite. Des éléments génétiques mobiles sont 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 communication intra et inter-spécifique joue 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. 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 l’environnement au fil du temps, 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 la transduction du signal observée chez les organismes pluricellulaires, les fonctionnements des hormones. 

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

 

virus-joke

Bah ! Nous étions « nano » avant qu’il soit cool d’être « nano » ! : Site

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