Gr?ce aux données ADN, les chercheurs de l'ETH découvrent dans l'eau de mer non seulement de nouvelles espèces de bactéries, mais aussi des substances naturelles inconnues qui pourraient un jour être utiles.
L'eau de mer est peuplée d'innombrables êtres vivants, du plus grand animal de la Terre, la baleine bleue, aux minuscules micro-organismes. Ceux-ci sont non seulement très nombreux, mais également importants pour le fonctionnement de l'ensemble de l'écosystème et du climat. Ainsi, les micro-organismes photosynthétiques comme les cyanobactéries produisent environ 50 % de l'oxygène présent dans l'atmosphère. De même, de tels microorganismes extraient le dioxyde de carbone de l'atmosphère et luttent ainsi contre le réchauffement climatique.
Malgré son importance, la diversité des micro-organismes marins n'a été étudiée que de manière rudimentaire. C'est pourquoi un groupe de chercheurs mené par Shinichi Sunagawa, professeur de microbiologie, s'est lancé à leur recherche avec le groupe de J?rn Piel, tous deux à l'Institut de microbiologie de l'ETH Zurich, et Serina Robinson de l'Eawag.
Afin de détecter de nouvelles substances naturelles fabriquées par des bactéries, Sunagawa et ses collaborateurs ont analysé les données ADN de 1000 échantillons d'eau provenant de toutes les régions maritimes du monde et de différentes profondeurs d'eau. Les données proviennent entre autres d'expéditions océaniques et de plateformes d'observation en mer.
Gr?ce à des procédés modernes tels que l'analyse de l'ADN présent dans l'environnement (ADNe = ADN environnemental), il est devenu plus facile de rechercher de nouvelles espèces et de découvrir quels organismes connus sont présents à quel endroit. On ne conna?t guère les "effets spéciaux" des micro-organismes marins, c'est-à-dire les composés chimiques qu'ils produisent et qui sont importants pour les interactions entre les organismes. De tels composés peuvent éventuellement être utiles à l'homme. La recherche part du principe que le microbiome marin recèle un potentiel élevé de substances naturelles qui pourraient par exemple être intéressantes comme antibiotiques.
L'ADNe présent dans les échantillons a été extrait et analysé élément par élément. Les scientifiques ont ensuite reconstruit des génomes entiers sur ordinateur et ont ainsi pu accéder aux informations codées dans les gènes, c'est-à-dire aux plans de construction des protéines. Enfin, ils ont regroupé leurs nouvelles données avec les 8500 enregistrements de génomes de micro-organismes marins existants dans une seule base de données.
Ils ont ainsi pu accéder à 35'000 génomes pour rechercher de nouvelles espèces de microorganismes et cibler des clusters de gènes biosynthétiques (BGC) prometteurs. Un BGC est un groupe de gènes qui fournissent les instructions de construction d'une substance naturelle.
Découverte de nouvelles espèces et de nouvelles molécules
Dans ces données génomiques, les chercheurs ont non seulement détecté de nombreuses BGC potentiellement intéressantes - 40'000 au total - mais aussi des espèces bactériennes inconnues de la souche des Les éremiobactéries. Ce groupe de bactéries n'était connu auparavant que dans les habitats terrestres et ne se distinguait pas par une diversité biosynthétique particulière.
Sunagawa et ses collaborateurs ont renommé une famille de ces bactéries en tant que Eudoremicrobiaceae et montrent en outre que ces bactéries sont fréquentes et largement répandues : Une espèce de cette famille, Eudoremicrobium malaspinii.,Dans certaines zones maritimes, les bactéries représentent jusqu'à six pour cent de toutes les bactéries présentes.
"Nos cousins marins présentent un génome énorme pour des bactéries, dont le décodage complet a été techniquement exigeant, car les organismes n'ont pas encore été cultivés", souligne Sunagawa. Les nouvelles bactéries se seraient en outre révélées être le groupe de micro-organismes présentant la plus grande diversité de BGC dans tous les échantillons analysés. "En l'état actuel des choses, elles constituent la famille la plus diversifiée sur le plan biosynthétique dans la colonne d'eau des océans", ajoute-t-il.
Deux des BGC de EudoremicrobiaceaeLes chercheurs ont examiné en détail un cluster de gènes contenant le code génétique d'enzymes qui, selon Sunagawa, n'ont encore jamais été trouvées dans cette constellation dans un BGC bactérien. Comme deuxième exemple, ils ont étudié une substance naturelle bioactive qui inhibe une enzyme de clivage des protéines.
Surprise lors d'une vérification expérimentale
En collaboration avec le groupe de J?rn Piel, les chercheurs ont vérifié expérimentalement la structure et la fonction de ces deux substances naturelles.
Da E. malaspinii ne pouvant pas être cultivée, les gènes servant de mode d'emploi pour la production de substances naturelles ont d'abord d? être implantés par les collaborateurs de Piel dans une bactérie modèle. Celle-ci a ensuite produit les substances correspondantes. Les chercheurs ont ensuite isolé les molécules des cellules, déterminé leur structure et vérifié leur activité biologique.
Cela a été nécessaire car, dans un cas, l'activité enzymatique prédite par des programmes informatiques ne correspondait pas aux résultats obtenus expérimentalement. Sunagawa : "Les prédictions informatiques sur les réactions chimiques qu'une enzyme va effectuer ont leurs limites. C'est pourquoi, en cas de doute, de telles prédictions doivent toujours être vérifiées en laboratoire".
Cela prend beaucoup de temps, est fastidieux et n'est pas réalisable pour les 40'000 substances naturelles potentielles qui dorment dans la banque de données. Mais : "Notre banque de données recèle un grand potentiel. Elle est ouverte à tous les chercheurs intéressés", souligne le chercheur.
Outre la poursuite de sa collaboration avec le groupe de Piel pour la découverte de nouvelles substances naturelles, Sunagawa souhaite se pencher sur des questions ouvertes concernant l'évolution et l'écologie des micro-organismes marins, comme la manière dont les micro-organismes sont dispersés dans l'océan, car ils ne peuvent se propager que passivement sur de grandes distances. Il aimerait également découvrir l'avantage écologique ou évolutif que certains gènes confèrent aux microbes. Le professeur de l'ETH suppose que les BGC pourraient jouer un r?le plus important dans ce domaine.
Référence bibliographique
Paoli P, Ruscheweyh H-J, Forneris CC, et al. Biosynthetic potential of the global ocean microbiome. Nature, 2022. DOI : page externe10.1038/s41586-022-04862-3