Forensics en matière de diversité

Doppmann sort un feutre, note la température, la date, l'heure et l'emplacement de l'échantillon. Elle jette un dernier regard de vérification sur le filtre. Elle ne voit pas s'il contient quelque chose - pas encore. Ce n'est qu'au laboratoire que les trois hommes découvriront si le filtre contient le patrimoine génétique d'êtres vivants. Car c'est ce qu'ils cherchent - comme les experts de la série policière "Les Experts : Miami".

Pierre qui roule

Les chercheurs exploitent le fait que chaque être vivant sécrète du matériel génétique, c'est-à-dire des molécules d'ADN, dans l'environnement, que ce soit dans les excréments, les squames de peau, le mucus ou les cellules. Ces molécules se retrouvent dans le sol, dans l'eau, dans les sédiments d'un lac, elles atterrissent sur les branches d'un arbre. Même les particules en suspension dans l'air contiennent des traces de matériel génétique.

L'idée des chercheurs est d'extraire des molécules d'ADN d'échantillons environnementaux et de les analyser élément par élément. Gr?ce à des programmes informatiques sophistiqués, les scientifiques comparent enfin les séquences d'ADN trouvées avec celles contenues dans des bases de données de références et dont on sait à quelle espèce ou groupe d'organismes elles appartiennent. Les chercheurs obtiennent ainsi des informations sur les êtres vivants qui pourraient être présents dans une région donnée.

La méthode n'est certes pas nouvelle, mais elle s'est progressivement imposée ces dernières années. Les premières tentatives de déterminer des bactéries à partir de leur ADN dans des échantillons d'eau et de sol remontent à la fin des années 1980. Mais ce n'est qu'en 2008 que des scientifiques européens ont réussi à détecter l'ADN d'une grenouille dans un échantillon d'eau. Cela a donné un coup d'accélérateur à ce domaine de recherche.

Enfin, les nouvelles technologies permettant un séquen?age rapide et complet de l'ADN ont donné des ailes aux scientifiques qui s'intéressent à l'ADN environnemental - comme Kristy Deiner, professeure d'ADN environnemental à l'ETH Zurich. Elle dirige le groupe dont font partie Anish Kirtane, Cátia Pereira et Zora Doppmann.

Depuis 2015, des appareils de séquen?age à haut débit sont utilisés de manière routinière pour l'analyse de l'ADN environnemental. Ces appareils peuvent décrypter rapidement et en un seul passage des mélanges non triés contenant des millions de molécules d'ADN différentes. "Auparavant, nous devions séparer chaque brin d'ADN des autres et le purifier avant de pouvoir analyser sa séquence", se souvient Deiner. "C'est la révolution technologique qui a vraiment mis le feu aux poudres".

Pas cher et rapide

Entre-temps, les trois chercheurs ont apporté leurs échantillons au laboratoire. Pereira et Doppmann se tiennent maintenant dans la salle blanche. Dans leurs combinaisons de protection blanches, elles ressemblent à des astronautes. Kirtane observe ses collègues à travers une vitre pendant qu'elles traitent la ouate de filtration et lavent le matériel contenant de l'ADN avec des solutions. Ensuite, elles nettoient les échantillons et les préparent pour que la solution ne contienne plus que de l'ADN.

"Nous devons absolument éviter de contaminer les échantillons", explique l'étudiante en master Doppmann. Même un minuscule morceau d'ADN provenant d'eux-mêmes ou de l'extérieur pourrait rendre les échantillons inutilisables. C'est pourquoi les chercheurs doivent d'abord passer par un sas à vide, puis enfiler les combinaisons de protection. Ce n'est qu'à ce moment-là qu'ils peuvent pénétrer dans la salle blanche. Cela prend du temps. De plus, l'air qui est pompé dans la salle blanche est filtré. La nuit, des rayons UV br?lent et décomposent les molécules d'ADN introduites involontairement. Les surfaces doivent également être nettoyées à l'eau de Javel après chaque expérience.

Travailler avec le patrimoine génétique issu de l'environnement semble compliqué et co?teux, car cela nécessite une infrastructure de laboratoire sophistiquée, des produits chimiques spéciaux et des instruments onéreux. Pourtant, cette nouvelle approche est plus rapide et moins co?teuse que les méthodes classiques, qui nécessitent de collecter et éventuellement de tuer des organismes pour pouvoir déterminer les espèces. "L'analyse de l'ADN environnemental n'est en revanche pas invasive. Cela ne nuit à aucun animal ni à aucune plante si nous extrayons leur ADN d'échantillons d'eau ou de sol", explique Deiner. Enfin, les chercheurs n'ont besoin que de très petites quantités d'ADN pour déterminer une espèce.

Le prélèvement d'échantillons est également facile. C'est ce que Deiner et ses collaborateurs souhaitent exploiter. Dans un projet qui va bient?t démarrer et pour lequel la professeure de l'ETH a obtenu un ERC Starting Grant, elle souhaite ouvrir la recherche avec l'ADN environnemental. Outre des professionnels, des chercheurs amateurs du monde entier participent au projet. Lors de la Journée mondiale de la diversité des espèces biodiversité, le 22 mai 2024, ils devront prélever des échantillons d'eau dans 1200 lacs du monde entier, filtrer l'eau sur place et envoyer les filtres à l'ETH Zurich pour analyse. Là, l'ADN sera extrait, décrypté et comparé à des données de référence. "C'est un bel exemple de projet de science citoyenne", souligne Pereira, qui le coordonne et participe aux analyses.

L'un des objectifs est d'identifier le plus grand nombre possible d'espèces et de comparer la composition des espèces des différents lieux de collecte. En outre, les chercheurs examinent la faisabilité d'un système de surveillance basé sur l'ADN environnemental à une échelle globale. En contrepartie de leur engagement, les participants auront accès aux données et aux informations sur les espèces détectées dans leurs échantillons.

Soupe de lettres sur l'écran

Une fois que les chercheuses sont sorties de leurs combinaisons de protection, elles prennent les échantillons et se rendent au Genetic Diversity Center, deux étages plus bas. Dans l'une des salles se trouve une bo?te discrète - l'un des co?teux appareils de séquen?age. "Une fois que nous sommes descendus ici, nous n'avons plus le droit de retourner dans la salle blanche, même si nous avons oublié quelque chose. Nous devons donc bien planifier le déroulement des opérations", explique Cátia Pereira.

Elle tape de l'index sur l'écran devant elle. L'ordinateur crache des séquences d'ADN provenant d'un précédent échantillon d'eau. Le document montre des suites interminables des quatre mêmes lettres A, C, G et T, qui représentent les quatre éléments constitutifs du patrimoine génétique. Une comparaison avec des données de référence a permis à Pereira de constater qu'une des séquences peut être attribuée à un arbre, le platane, et une autre à une ortie. D'autres séquences n'ont pas de nom. "Ici, nous ne pouvons pas dire pour le moment de quelle espèce ou de quel groupe il s'agit", dit-elle. Les bases de données de référence présentent encore de nombreuses lacunes. C'est pourquoi les chercheurs de l'ETH espèrent qu'un jour, d'autres chercheurs traiteront systématiquement les données de référence génomiques des organismes les plus divers et les enregistreront dans des banques de données publiques.

Pereira est néanmoins convaincu que la méthode de l'ADN environnemental modifie fondamentalement la manière dont la science appréhende la biodiversité. Certes, l'approche ne remplacera pas les méthodes traditionnelles. "L'approche de l'ADN environnemental va les compléter. Les experts en taxonomie et en écologie restent importants, car une liste d'espèces n'a de sens que dans le contexte de l'habitat concerné".