Naissance de la vie complexe en laboratoire

Des scientifiques recréent la danse microbienne qui a donné naissance à la vie complexe

L'évolution a été alimentée par l'endosymbiose, une alliance cellulaire dans laquelle un microbe s'installe de manière permanente à l'intérieur d'un autre. Pour la première fois, des biologistes ont réussi à mettre en œuvre ce processus en laboratoire.

Les relations endosymbiotiques entre deux microbes, l'un vivant à l'intérieur de l'autre, sont à l'origine de la complexité cellulaire dans l'arbre du vivant. Jusqu'à présent, personne n'avait observé la chorégraphie initiale de la formation d'un tel partenariat.

Loin d’être des êtres solitaires, la plupart des microbes unicellulaires entretiennent des relations complexes. Dans l’océan, le sol et votre intestin, ils peuvent se battre et se dévorer, échanger de l’ADN, rivaliser pour les nutriments ou se nourrir des sous-produits des autres. Parfois, ils deviennent encore plus intimes : une cellule peut se glisser à l’intérieur d’une autre et s’y installer confortablement. Si les conditions sont réunies, elle peut rester et être accueillie, ce qui déclenche une relation qui peut durer des générations, voire des milliards d’années. Ce phénomène d’une cellule vivant à l’intérieur d’une autre, appelé endosymbiose, a alimenté l’évolution de la vie complexe.

Les exemples d’endosymbiose sont légion. Les mitochondries, les usines énergétiques de vos cellules, étaient autrefois des bactéries libres. Les plantes photosynthétiques doivent leurs sucres produits par le soleil au chloroplaste, qui était lui aussi à l’origine un organisme indépendant. De nombreux insectes obtiennent des nutriments essentiels des bactéries qui vivent à l’intérieur d’eux. Et l’année dernière, des chercheurs ont découvert le « nitroplaste », un endosymbiote qui aide certaines algues à traiter l'azote.

La vie repose en grande partie sur des relations endosymbiotiques, mais les scientifiques peinent à comprendre comment elles se produisent. Comment une cellule internalisée échappe-t-elle à la digestion ? Comment apprend-elle à se reproduire à l'intérieur de son hôte ? Qu'est-ce qui fait qu'une fusion aléatoire de deux organismes indépendants se transforme en un partenariat stable et durable ?

Pour la première fois, des chercheurs ont observé la chorégraphie d'ouverture de cette danse microscopique en induisant une endosymbiose en laboratoire. Après avoir injecté des bactéries dans un champignon – un processus qui a nécessité beaucoup de créativité (et une pompe à vélo) – les chercheurs ont réussi à susciter une coopération sans tuer les bactéries ni l’hôte. Leurs observations offrent un aperçu des conditions qui rendent possible le même phénomène dans la nature microbienne.

Les cellules se sont même adaptées les unes aux autres plus rapidement que prévu. Cela signifie que les organismes veulent réellement vivre ensemble et que la symbiose est banale.

Les premières tentatives, qui ont échoué, révèlent que la plupart des liaisons cellulaires sont infructueuses. Mais en comprenant comment, pourquoi et quand les organismes acceptent les endosymbiotes, les chercheurs peuvent mieux comprendre les moments clés de l'évolution et éventuellement développer des cellules synthétiques conçues avec des endosymbiotes surpuissants.

La percée de la paroi cellulaire

Les chercheurs dans ce domaine ont émis l'hypothèse qu'une fois qu'une bactérie s'infiltre dans une cellule hôte, la relation oscille entre infection et harmonie. Si la bactérie se reproduit trop rapidement, elle risque d'épuiser les ressources de l'hôte et de déclencher une réponse immunitaire, entraînant la mort de l'invité, de l'hôte ou des deux. Si elle se reproduit trop lentement, elle ne s'établira pas dans la cellule. Ils pensaient que dans de rares cas seulement, la bactérie atteint un taux de reproduction idéal. Ensuite, pour devenir un véritable endosymbiote, elle doit s'infiltrer dans le cycle de reproduction de son hôte pour passer à la génération suivante. Enfin, le génome de l'hôte doit éventuellement muter pour s'adapter à la bactérie, permettant aux deux d'évoluer en tant qu'unité.

Pour observer les premières étapes franchies par deux microbes alors qu'ils s'adaptaient à la vie endosymbiotique, les biologistes ont recréé une relation endosymbiotique sauvage dans leur laboratoire.

Ces idées étaient logiques, mais personne n’avait jamais été témoin des premiers pas de l’endosymbiose microbienne. Ils ont donc décidé de tenter de mettre en pratique ce phénomène en laboratoire. Plutôt que de réinventer la roue de l’endosymbiose, les chercheurs ont pensé que qu’ils auraient toutes les chances de réussir en recréant un partenariat qui s’était déjà produit dans la nature.

La brûlure des semis de riz est une maladie causée par le sous-produit toxique d'une relation endosymbiotique sauvage. À un moment donné de son histoire évolutive, le champignon Rhizopus microsporus a adopté la bactérie Mycetohabitans rhizoxinica. La bactérie résidente produit du poison, que le champignon utilise pour infecter les plants de riz ; les deux partenaires en profitent en absorbant les nutriments des cellules végétales mortes ou mourantes. Au fil des générations, les deux partenaires sont devenus si étroitement liés que le champignon ne peut plus se reproduire sans son endosymbiote.

Il existe cependant une souche de ce champignon qui vit sans endosymbiote. Les chercheurs pensaient pouvoir l'utiliser pour recréer ce partenariat toxique. Mais avant de passer aux étapes les plus difficiles de la recherche de correspondance cellulaire, ils ont dû surmonter une contrainte physique de base : comment faire passer physiquement une bactérie à travers la paroi cellulaire rigide d'un champignon ?

Ils ont commencé par préparer un cocktail d'enzymes pour ramollir la paroi. Puis ils ont utilisé un microscope à force atomique équipé d'une technologie connue sous le nom de FluidFM, réutilisée pour servir de minuscule seringue. Lorsqu’ils ont percé la cellule fongique avec la micro-aiguille, le cytoplasme s'est précipité à l'extérieur comme l'eau d'un barrage rompu.

Il fallait un appareil plus puissant pour résister à la pression intracellulaire et faire pénétrer les bactéries. Ils ont bricolé une connexion entre une pompe à vélo et le microscope. Cela a fonctionné : la pompe à vélo a augmenté la pression et a forcé les bactéries à traverser la paroi cellulaire et à pénétrer dans le cytoplasme.

Ils ont dû utiliser des aiguilles spécialement aiguisées et ensuite une pression de pneu trois fois supérieure à celle des pneus de voiture pour pousser les bactéries à l'intérieur. Cela représente un grand pas en avant technologique.

Ils ont d’abord injecté dans le champignon Escherichia coli, un organisme bactérien standard utilisé en laboratoire. Une fois à l’intérieur, E. coli s’est reproduit rapidement en se nourrissant des nutriments présents dans la cellule. Les bactéries se sont développées si vite que le système immunitaire fongique les a remarquées et les a enfermées pour les éliminer.

Les chercheurs se sont ensuite intéressés à M. rhizoxinica, une bactérie déjà présente dans d’autres souches de R. microsporus. Une fois à l’intérieur, elle s’est divisée à une vitesse agréable et a échappé à la réponse immunitaire. Plus important encore, aucun des deux partenaires n’est mort. Ce qui était très « excitant » !

Puis, chacun s'est adapté à l'autre jusqu'à trouver un équilibre endosymbiotique.

Au début, le couple s’était accepté, mais ce n’était que la première étape. Ils ont patiemment attendu, puis ont vu que les bactéries s’étaient glissées dans les spores fongiques pour passer à la génération suivante.

Ils ont sélectionné manuellement des spores et ont fait germer 10 générations successives de champignons. Un plus grand nombre de bactéries ont survécu à chaque cycle de reproduction, et les spores sont devenues plus saines et plus efficaces. Pour la première fois, les chercheurs ont observé des microbes endosymbiotiques et hôtes s’adapter les uns aux autres. Aucun de ces organismes ne s’empoisonne mutuellement, et leurs taux de croissance correspondent à peu près au spectre de viabilité pour les deux. Les bactéries ont survécu, protégées et nourries par le champignon – et le champignon a trouvé un partenaire pour sa toxicité.

Pour confirmer le partenariat microbien, le laboratoire a isolé les deux parties pour analyser leurs génomes. Le génome du champignon avait déjà subi des mutations pour s'adapter aux bactéries. De toute évidence, ces relations peuvent se stabiliser rapidement. Bientôt, les deux espèces ne pourraient plus vivre l'une sans l'autre.

Trouver le juste équilibre 

En recréant une relation naturelle, ils ont rejoué une séquence de l’évolution, pour en tirer des leçons sur la manière dont se produit l’endosymbiose. Ils en ont conclu que le processus ne peut pas se produire s’il existe une discordance entre l’hôte et l’endosymbiote à un moment quelconque du processus d’adaptation. C’est probablement ce qui se passe souvent dans la nature. Peut-être que les points de départ sont réussis, mais d’une manière ou d’une autre, la sélection n’est pas là, ou il y a un coût plutôt qu’un avantage. Et alors, le système se perd et n’est pas stabilisé. »

Ils ont également découvert que dans les couples qui fonctionnent, les deux partenaires s’adaptent l’un à l’autre, un phénomène jusqu’ici largement négligé. Ce n’est pas seulement la bactérie qui s’adapte à un nouvel environnement ; l’hôte aussi change, même au début. C’est une question fondamentale qui a été ignorée et qui ouvre la voie à de véritables avancées.

Bien que révélatrice, cette association bactérie-champignon n’est qu’un exemple d’un processus qui peut résulter de plusieurs mécanismes ou conditions. On peut imaginer que chez les protistes et d’autres groupes qui n’ont pas été bien étudiés, il existe d’autres modèles de soutien de la symbiose.

D’autres recherches sur divers systèmes endosymbiotiques permettront de déterminer quelles conditions s’appliquent de manière générale et lesquelles sont spécifiques à certaines paires. À terme, ces résultats pourraient conduire à un nouveau type de biologie synthétique, mettant en avant des relations endosymbiotiques développées en laboratoire, ce qui pourrait constituer une voie fascinante pour explorer l’innovation biologique.

Au lieu de modifier les gènes des organismes pour créer de nouvelles caractéristiques, les laboratoires pourraient concevoir des bactéries pour qu’elles exécutent des fonctions spécifiques et les introduire ensuite dans des hôtes. En induisant l’endosymbiose, les chercheurs pourraient potentiellement concevoir des plantes pour qu’elles métabolisent les polluants ou fabriquent des médicaments. Seule notre imagination est une limite.

Cela signifie-t-il que nous pourrions un jour développer des chloroplastes et devenir photosynthétiques ? Non, ce serait vraiment difficile pour un chloroplaste de se stabiliser à l’intérieur d’une cellule de mammifère. Même si cela fonctionnait, la photosynthèse à elle seule ne suffirait pas à nous alimenter : nos besoins énergétiques sont trop élevés. On pourrait avoir une belle peau verte et fonctionner un peu avec vos propres panneaux photovoltaïques, mais le gain d’énergie obtenu du soleil serait minime ! On aurait souvent faim et on aurait besoin de compléter notre alimentation avec d’autres aliments de base, comme la pizza.