Une protéine donne le signal de départ de la division

Les bactéries peuvent se multiplier à une vitesse fulgurante, mais elles ne le font que dans des conditions adéquates. Si elles manquent de nutriments ou si, par exemple, il fait trop froid ou trop sec, elles restent dans un état de repos. Jusqu'à présent, la manière dont une cellule bactérienne décide de se diviser a surtout été étudiée sur des populations qui se multiplient déjà allègrement. Mais on ne savait pas encore ce qui pousse une cellule dormante à sortir de son état de repos et à se lancer dans sa première division.

Des chercheurs dirigés par Uwe Sauer, directeur de l'Institut de biologie systémique moléculaire de l'ETH Zurich, ont désormais résolu cette énigme. Ils ont étudié, à l'exemple de la bactérie intestinale E.coli,comment elle prend la décision de se diviser pour la première fois. Celle-ci dépend, de manière surprenante, d'une seule protéine à l'intérieur de la cellule bactérienne : Ce n'est que lorsque sa concentration dépasse une valeur seuil que la cellule se divise. Sur la base de leurs découvertes, les chercheurs ont développé un modèle mathématique. "Cela permet pour la première fois de prédire de manière quantitative quand la première division aura lieu", explique Sauer. L'étude a été publiée récemment dans la revue spécialisée Molecular Systems Biology.

Activation rapide du métabolisme

Les chercheurs ont élucidé le mécanisme en E.coli-Les chercheurs ont tout d'abord mis les bactéries en état de repos en les privant de nutriments. Ensuite, ils ont nourri les cellules avec de minuscules gouttelettes d'une solution de glucose. Les bactéries ont absorbé le sucre avec avidité : En quelques secondes, leur métabolisme s'est mis en marche. Les chercheurs ont pu le démontrer à l'aide d'une méthode développée dans le laboratoire Sauer, qui permet de mesurer simultanément et en temps réel des centaines de métabolites.

L'analyse a révélé que, de manière surprenante, les bactéries forment très rapidement une nouvelle biomasse à partir du glucose dont elles sont nourries, notamment des acides aminés et des acides nucléiques, qui donnent ensuite naissance à des protéines et à de l'ADN - condition nécessaire à la formation de nouvelles cellules.

La fréquence d'alimentation est décisive

Chez les bactéries qui sont déjà en phase de croissance, la division suivante a lieu dès qu'il y a suffisamment de nouvelle biomasse. Mais il en allait autrement pour les cellules dormantes : si elles recevaient les gouttelettes de glucose nourrissant à dix minutes d'intervalle, elles formaient certes de plus en plus de biomasse avec le temps, mais elles ne se divisaient toujours pas. Ce n'est que lorsque les chercheurs ont raccourci les intervalles et nourri les cellules toutes les quatre minutes que la première division a eu lieu au bout d'une heure. S'ils les nourrissaient toutes les minutes, la division commen?ait presque immédiatement. "Ce n'est pas la quantité totale de sucre qui a été déterminante, mais la fréquence de l'alimentation", explique Sauer.

Sur la base de ce constat, les chercheurs ont supposé que les cellules formaient une protéine clé à partir du glucose, mais que cette protéine était à nouveau dégradée pendant les pauses d'alimentation. Ce n'est que lorsque le glucose est donné suffisamment souvent que la protéine se forme en plus grande quantité qu'elle n'est dégradée et que la cellule peut se diviser. Pour vérifier leur hypothèse, les chercheurs ont parcouru la littérature scientifique à la recherche de protéines qui jouent un r?le dans la division et qui sont en outre dégradées par les protéases cellulaires. Ils sont ainsi tombés sur la protéine FtsZ, qui forme un anneau pendant la division cellulaire et facilite la séparation en deux cellules filles.

Protéine de division comme signal

En collaboration avec le professeur Roman Stocker de l'Institut des sciences et ingénierie de l'environnement de l'ETH Zurich et le professeur Suckjoon Jun de l'Université de Californie à San Diego, ils ont pu démontrer que le FtsZ est effectivement dégradé dans les cellules E. coli et que sa concentration diminue pendant les phases de famine. Et elle s'est avérée être la protéine clé recherchée : si les chercheurs accéléraient artificiellement la dégradation de Ftsz, le temps nécessaire à la première division s'allongeait. En revanche, s'ils amenaient les cellules à produire davantage de FtsZ par des méthodes génétiques, celles-ci se divisaient plus t?t. "Nous avons ainsi pu montrer que la concentration de FtsZ constitue le signal décisif pour la première division", explique Sauer.

Pour le professeur de l'ETH, les nouvelles découvertes ne font pas seulement avancer la recherche fondamentale, elles pourraient aussi servir de base à des applications concrètes. Car la protéine de division FtsZ n'est pas seulement présente dans les E.coli,La biologie de la tuberculose n'est pas seulement présente chez les bactéries, mais aussi chez presque toutes les espèces bactériennes, y compris des pathogènes comme l'agent de la tuberculose. Mycobactérium tuberculosis. "Si l'on veut empêcher que des bactéries dormantes commencent à se diviser, FtsZ est un bon point d'attaque", explique Sauer. Depuis quelques années déjà, différents laboratoires mènent des recherches sur des substances qui, entre autres, accélèrent la dégradation de FtsZ et sont considérées comme des candidats prometteurs pour de nouveaux antibiotiques.