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Regarder les bactéries évoluer en laboratoire
À l'aide de nouvelles technologies rapides de séquençage de l'ADN, les chercheurs de l'Université de Californie-San Diego ont suivi les changements évolutifs de E. coli cultivées dans des conditions stressantes. Ils ont pu identifier quels gènes ont muté, quand et quels ont été les effets sur la croissance de la bactérie. Les chercheurs affirment que la technique, appelée évolution expérimentale, aidera ceux qui essaient d'apprendre à modifier génétiquement des bactéries pour produire des concentrations élevées d'éthanol et d'autres produits chimiques utiles (voir Usines bactériennes).
Des bactéries telles que E. coli évoluent relativement rapidement : ils se divisent rapidement et de manière négligente, transmettant des copies remplies d'erreurs de leur information génétique à la génération suivante. À l'aide d'une nouvelle technologie de puces à ADN, Bernhard Palsson, professeur de bio-ingénierie, et ses collègues ont étudié cette évolution rapide sur des échelles de temps très courtes à un niveau de détail élevé.
Cette avancée pourrait être particulièrement utile aux biologistes synthétiques qui réorganisent les bactéries pour leur donner de nouvelles fonctions. Cette approche nous donnera de nouvelles informations sur la réponse adaptative [des organismes] aux pièces synthétiques introduites, telles que de nouveaux gènes ou des réseaux de gènes, dit James Collins , professeur de génie biomédical à l'Université de Boston. Les chercheurs mettent en place de telles nouvelles pièces pour mieux contrôler la synthèse par les microbes d'un composé particulier utile pour l'homme. (Par exemple, des chercheurs ont mis au point une levure qui produit un médicament contre le paludisme ; voir Cheaper Malaria Drugs .)
Dans une série d'expériences, Palsson et ses collègues ont fourni E. coli seulement avec du glycérol, que les microbes ne métabolisent pas très bien, pour la nutrition. Les cellules se sont développées lentement au début, mais après 20 jours, elles se sont développées 150% plus rapidement et, à 44 jours, elles prospéraient. Ceux qui étaient plus adaptés à l'environnement ont repris la culture, explique Christopher Herring, qui a travaillé sur la recherche en tant que post-doctorant dans le laboratoire de Palsson. Il y a eu des changements spectaculaires dans la façon dont [bien] les cellules se sont développées en peu de temps.
L'évolution expérimentale pourrait s'avérer un outil puissant pour les chercheurs travaillant sur l'ingénierie métabolique, déclare Herring. Les réseaux génétiques du métabolisme sont complexes et comportent des éléments que les chercheurs auraient du mal à prévoir. Herring dit que l'évolution expérimentale peut montrer des connexions entre différents systèmes physiologiques [que nous] ne connaissions pas auparavant. Herring est maintenant chercheur à Cambridge, MA mascome , qui espère concevoir des micro-organismes qui convertissent efficacement la biomasse en éthanol (voir Redesigning Life to Make Ethanol ).
Collins dit que l'ingénierie métabolique est souvent effectuée de manière irrationnelle. Lorsque les chercheurs introduisent de nouvelles parties dans des bactéries ou des levures, ils ne savent pas si d'autres mutations ont été introduites, et encore moins comment d'autres voies peuvent être impliquées. Le séquençage comparatif du génome pourrait fournir ce type d'informations, permettant aux chercheurs de mieux prédire les effets des changements génétiquement modifiés et d'identifier rapidement quels changements conduisent à des attributs favorables.
Grégory Stéphanopoulos , ingénieur chimiste au MIT et leader dans le domaine de l'ingénierie métabolique, est plus sceptique quant à l'impact de l'approche de San Diego. Le séquençage des génomes et leur analyse pour trouver des mutations pertinentes n'est pas le problème, dit-il. Dans l'expérience de croissance de Palsson et Herring, il était évident que E. coli qui a bien poussé valait la peine d'être reséquencé pour trouver les mutations pertinentes, dit-il. Mais lorsque vous travaillez sur un problème complexe comme l'amélioration de l'efficacité de production d'éthanol d'un microbe, dit-il, dans certains cas, vous pouvez identifier des souches supérieures, mais en général, ce n'est pas simple.
Néanmoins, Stephanopoulos et les autres affirment que le séquençage comparatif du génome peut désormais aider les chercheurs à attribuer les changements dans les traits des microbes (tels que la capacité de prospérer sur le glycérol) aux changements de génotype. Ce faisant, la technologie pourrait aider les microbiologistes et les sociétés pharmaceutiques à étudier comment des souches de bactéries résistantes aux antibiotiques, un problème de santé majeur, émergent, et quelles mutations sont responsables.