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Accueil / Les brèves / Les secrets de l’adaptation des bactéries révélés

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2012-03-01 
Les secrets de l’adaptation des bactéries révélés

Comment la bactérie du sol Bacillus subtilis fait elle pour survivre et croître dans un environnement naturel en perpétuel changement (température, humidité, salinité, nutriments, etc.) ? Pour le comprendre, les chercheurs de 7 pays Européens et d’Australie qui participent au projet BaSysBio, coordonné par l’Inra et financé par la Commission Européenne, publient aujourd’hui 2 articles majeurs dans la revue internationale « Science ». Pour la première fois, tous les niveaux de régulation dans une bactérie ont été pris en compte. Ces travaux révèlent l’architecture globale des régulations génétiques chez la bactérie et mettent en évidence des stratégies d’adaptation qui reflètent les contraintes évolutives imposées par un environnement en constant changement.

Dans la première étude, Bacillus subtilis a été exposé à plus d’une centaine de conditions différentes et la façon dont la bactérie réagit et adapte le niveau d’expression de ses gènes a été cartographiée. Dans la seconde étude, Bacillus subtilis a été exposé à un changement nutritionnel et la réaction de la bactérie a été mesurée au cours du temps au niveau de l’expression des gènes,  de la production des protéines et du métabolisme. Ce qui est innovant dans cette recherche est l’ampleur des données expérimentales qui permettent de cartographier avec un haut niveau de détails les mécanismes de régulation. Habituellement, un seul niveau de régulation est étudié dans un nombre limité de conditions. Ici, tous les niveaux ont été pris en compte ainsi que la façon dont ils sont reliés l’un à l’autre. Ceci a été rendu possible par une intense collaboration entre les biologistes, les informaticiens, et les mathématiciens dans une  approche de « biologie des systèmes » qui associe étroitement la production de données expérimentales sur les composants cellulaires, le traitement et l’analyse bioinformatique de ces données, et leur intégration dans des modèles mathématiques qui seuls permettent de prendre en compte cette complexité afin de comprendre le fonctionnement de la bactérie dans sa globalité.
 
Plus de 500 nouveaux gènes découverts


Pourquoi choisir une centaine de conditions différentes ? Parce que ces conditions reflètent celles que Bacillus subtilis peut rencontrer dans la nature, mais aussi dans le laboratoire et dans l’industrie où cette bactérie est largement utilisée. Dans cette centaine de conditions, la bactérie exprime 96% de ses gènes ce qui a permis de définir très précisément plus de 3000 endroits sur le chromosome où la lecture des gènes commence. Plus de 500 nouveaux gènes ont été découverts et des informations sur les fonctions de nombreux gènes ont été acquises.

Un jeu de données sans précédent collecté et modélisé

A l’aide des modèles mathématiques développés, les chercheurs ont étudié comment Bacillus subtilis s’adaptait à la présence d’une nouvelle source de sucre dans son milieu. Les deux sucres utilisés, le glucose et le malate, sont une bonne source d’énergie. Bacillus subtilis a été mis soudainement en présence du second sucre, et des mesures globales ont été effectuées sur tous les composants cellulaires au fil du temps jusqu’à la complète adaptation. Un jeu de données sans précédent a ainsi été collecté et utilisé par les modélisateurs pour déterminer comment la bactérie passait d’une source d’énergie à l’autre et quels mécanismes de régulation étaient utilisés. Alors qu’a priori un petit nombre de modifications du système aurait suffi à l’adaptation, les résultats ont révélé une mobilisation d’une très large partie du système cellulaire selon des modalités et des temporalités distinctes : dans un cas, la régulation a lieu principalement au niveau de la transcription des gènes et se fait lentement, dans l’autre cas, elle a lieu au  niveau de la synthèse et de l’activité des protéines et se fait rapidement.
 
Une stratégie évolutive de « réduction des coûts »

Les chercheurs ont cherché à replacer les mécanismes de régulation découverts dans le contexte de l’évolution de Bacillus subtilis. Ils ont pu proposer à l’aide de modèles mathématiques que les réactions très différentes de la bactérie au glucose et au malate sont dues à une stratégie évolutive de « réduction des coûts » d’utilisation du malate. Cette explication est très plausible car dans le sol, Bacillus subtilis vit près des racines des plantes qui produisent du malate. Par ailleurs, la centaine de conditions testées a mis en évidence de nombreux endroits du chromosome qui sont exprimés mais ne correspondent pas à des gènes codant pour des protéines. La modélisation statistique indique que cet effet a priori indésirable pour la bactérie est probablement une conséquence de son système de régulation très complexe. Malgré le risque que représente cette expression « en dehors des gènes », la bactérie a un avantage évolutif à posséder un système de régulation complexe qui lui permet de rapidement changer son programme génétique et de s’adapter.
 
Des développements possibles en santé humaine et biotechnologie

Ces deux études ont des implications générales pour l’étude les bactéries.  « Au-delà des découvertes scientifiques, ces études ouvrent la voie à une application de la biologie des systèmes à d’autres bactéries » déclare le coordinateur du projet BaSysBio, Dr Philippe Noirot chercheur à l’INRA.  « Notre approche de biologie systémique pose les fondations pour des applications en biotechnologie et en médecine ». En effet, comprendre le système cellulaire et le modéliser, c’est aussi le premier pas pour prédire son comportement dans d’autres situations.  Par exemple, comprendre comment les bactéries pathogènes s’adaptent pendant le processus d’infection aidera à développer des stratégies pour les combattre. Cette approche pourra aussi faciliter la mise en œuvre une ingénierie rationnelle en vue d’exploiter les formidables capacités de biosynthèse de la bactéries au bénéfice de l’homme, qu’il s’agisse de production de protéines d’intérêt biotechnologique, pharmaceutique ou de molécules d’intérêt pour la santé humaine ou la chimie fine durable.
 
Une coopération internationale remarquable

La recherche décrite dans les 2 articles de « Science » correspond à une coopération de 4 ans entre 20 équipes de recherches européennes et australienne dans le cadre du projet BaSysBio. Pour enrichir l’analyse des conditions diverses, une alliance a été établie entre BaSysBio et le projet transnational Bacell-SysMO. BaSysBio a été coordonné par l’INRA, et les chercheurs de l’unité Micalis un laboratoire mixte associant l’INRA et AgroParisTech et ceux de l’unité MIG, toutes deux à Jouy-en-Josas, ont eu des contributions majeures dans les parties expérimentales, bioinformatiques et de modélisation mathématique.

La biologie des systèmes repose sur l’idée que l’étude des interactions entre les éléments d’un système vivant (par exemple d’une cellule) est nécessaire au-delà de l’étude détaillée de chaque élément pour véritablement comprendre (décrire le système et prédire son évolution) le fonctionnement des organismes vivants.  Les « biologistes des systèmes » développent donc des méthodes expérimentales et des outils théoriques, mathématiques et informatiques pour représenter des très grands nombre d’interactions et les façons dont elles évoluent en fonction des conditions extérieures changeantes dans lesquelles sont placés les systèmes. Ce type d’approche permet de construire des modèles représentant les principes fondamentaux de l’organisation du vivant qui peuvent ensuite servir de base à des projets d’ingénierie cellulaire plus performants, d’applications médicales.
 
References
P. Nicolas et al. Condition-Dependent Transcriptome Reveals High-Level Regulatory Architecture in Bacillus subtilis. Science (issue of March 1st 2012), MS no: RE1206848/LK/MOLEC BIOL
J.M Buescher et al. Global Network Reorganization During Dynamic Adaptations of Bacillus subtilis Metabolism. Science (issue of March 1st 2012), MS no: RE1206871/LK/CELL BIOL
 
Contacts :
Philippe Noirot
01 34 65 25 14 - philippe.noirot@jouy.inra.fr

Stéphane Aymerich
01 34 65 27 51 – Stephane.Aymerich@grignon.inra.fr
MICALIS MICrobiologie de l'ALImentation au service de la Santé
Département scientifique « Microbiologie et chaîne alimentaire »
Centre Inra de Jouy-en-Josas

 
     

 


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