Brave Nouveau Monde Bactérien

Malgré 300 ans d'examen au microscope, de culture de bactéries et de criblage du sol, de l'air et de l'eau à la recherche de nouvelles espèces microbiennes, les scientifiques ont clairement négligé une grande partie de la vie sur terre. Grâce à de nouveaux outils de recherche puissants, les bactériologistes découvrent que le monde vivant est soudainement beaucoup plus vaste et complexe qu'ils ne l'avaient imaginé il y a à peine dix ans. La découverte est peut-être d'une ampleur similaire à celle du premier aperçu de microbes par le microscopiste néerlandais Antonie van Leeuwenhoek - il les a appelés animalcules - s'ébattant sous ses lentilles de verre brutes.

Parce que les bactéries étaient essentiellement indétectables à moins qu'elles ne puissent être cultivées, la plupart des espèces - qui existent dans des environnements difficiles à reproduire - ont été, dans un sens, interdites. Imaginez si toute notre compréhension de la biologie était basée sur des visites dans des zoos, explique Norman R. Pace, biologiste à l'Université de Californie à Berkeley. C'est analogue à notre situation en ce qui concerne la compréhension du monde microbien.

Cette histoire faisait partie de notre numéro d'avril 1997

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Melvin Simon, président du département de biologie du California Institute of Technology, estime qu'environ 99% des bactéries ne peuvent pas encore être cultivées dans des boîtes de culture en laboratoire. C'est parce que les scientifiques ne peuvent souvent pas déterminer la combinaison précise de conditions - y compris l'oxygène, la température et la lumière - dont les microbes ont besoin et parce qu'il est difficile de simuler ces exigences en même temps pour les rendre heureux. Environ 6 000 espèces de micro-organismes ont été formellement décrites. Et jusqu'à présent, dit-il, le reste nous est resté invisible.

La clé pour avoir un premier aperçu de ce nouveau monde était d'apprendre à isoler, amplifier et étudier le matériel génétique d'un organisme directement à partir de l'environnement sans cultiver l'organisme lui-même. En utilisant des instruments moléculaires qui sélectionnent sélectivement les gènes hautement spécifiques d'une bactérie à partir d'un bouillon d'ADN, les scientifiques peuvent désormais identifier rapidement de nouveaux organismes, explorer leurs propriétés et déterminer leur parenté avec des organismes déjà connus.

La technique d'amplification génique appelée PCR, la réaction en chaîne par polymérase, est au premier plan parmi les nouveaux outils moléculaires. La PCR permet à des gènes spécifiques d'être isolés et copiés à l'infini, de sorte qu'une quantité suffisante devient disponible pour une étude détaillée, telle que la séquence d'ADN d'un gène. Et c'est dans la séquence - en fait les différences de séquences d'un organisme à l'autre - que l'on peut voir les identités des microbes.

Outre la PCR, les nouveaux outils incluent une technologie de séquençage rapide, un traitement informatique rapide des données de séquence de gènes et une technologie d'électrophorèse de plus en plus précise, qui sépare électriquement les gènes dans un gel ou un fluide en fonction de leur taille.

L'une des principales cibles analytiques de ces travaux est l'ARN (acide ribonucléique) omniprésent dans les ribosomes, les petits corps arrondis que les cellules vivantes utilisent comme dispositifs de construction de protéines. Toutes les cellules ont des ribosomes, et parce que l'ARN qu'elles contiennent diffère légèrement d'une espèce à l'autre, il sert de marqueur fiable - une sorte de plaque d'identification moléculaire - qui peut être utilisé pour identifier, classer et analyser chaque nouveau microbe.

La découverte surprenante est que partout où les chercheurs appliquent ces nouvelles techniques, ils rencontrent d'étranges nouvelles bactéries, dans des abondances et des diversités que personne n'avait vraiment anticipées. Par exemple, comme l'explique Paul Dunlap, scientifique associé à la Woods Hole Oceanographic Institution dans le Massachusetts, dans la publication Oceanus de Woods Hole, la vie microbienne de la mer est si incroyablement abondante que, dans certains cas, les organismes sont présents en nombre extraordinairement élevé, jusqu'à environ 100 milliards par millilitre d'eau de mer. En fait, les organismes de moins de 2 microns de diamètre qui vivent dans la mer sont si abondants qu'ils représentent 95 pour cent de la masse de toutes les formes de vie dans les océans du monde.

Les sols sédimentaires, même la boue ancienne déposée sur les fonds marins, regorgent également de micro-organismes. Des forages récents dans le fond de la mer du Japon, par exemple, ont permis de récupérer des échantillons provenant de couches de sédiments enfouies à 500 mètres de profondeur contenant des millions d'organismes dans chaque gramme de sol.

Nouveaux royaumes

Les résultats suggèrent que même une petite gorgée d'eau, ou un petit échantillon de sol, contient suffisamment de bactéries - la plupart d'entre elles inconnues auparavant - pour occuper des équipes de chercheurs pendant des années. Il y a de nouveaux gènes, de nouvelles enzymes et de nouvelles fonctions dont nous ne savons rien, note Simon, et les données s'accumulent trop vite pour être analysées en détail. Ils (les microbes) ont même différents types de membranes cellulaires, ce qui suggère que de tout nouveaux domaines de la biologie sont là pour être explorés.

Étant donné que chaque organisme a ses propres gènes, sa biochimie caractéristique, sa structure et son comportement, le potentiel industriel est énorme. Chaque espèce abrite entre 1 000 et 5 000 gènes, et pour la plupart leurs propriétés biochimiques sont encore inconnues. Il est donc probable que de nouveaux enzymes, aliments, médicaments, produits chimiques, matériaux et processus seront découverts. Les bactéries qui peuvent vivre dans l'environnement hostile des sources chaudes, par exemple, ont produit des enzymes spéciales qui fonctionnent magnifiquement à haute température, ce qui pourrait être utile dans le traitement chimique. En outre, selon Pace, certains micro-organismes fabriquent des substances qui adhèrent aux surfaces dans l'eau presque bouillante, ce qui pourrait être utile dans certaines opérations de fabrication.

En termes d'évolution, note Simon, il n'est pas surprenant que tant de types différents de bactéries existent, même dans des endroits où ils semblaient autrefois improbables. Après tout, pendant 3 milliards d'années, le monde a été peuplé de bactéries et probablement très peu d'autres. Ces organismes unicellulaires ont donc eu beaucoup plus de temps pour évoluer que la plupart des autres créatures sur terre.

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