Les sources abyssales, berceau de la vie ?

spécial mer - par Franck Zal dans mensuel n°355 daté juillet 2002 à la page 22 (2425 mots) | Gratuit
D'étonnantes communautés animales prolifèrent au plus profond des océans, là où les sources hydrothermales créent un environnement que l'on croyait très défavorable à la vie. Or, ces conditions drastiques sont, en bien des points, semblables à celles qu'offrait la Terre primitive. Peut-on pour autant en déduire que la vie est née dans les abysses ?

« Il est aussi absurde de réfléchir à l'origine de la vie que de réfléchir à l'origine de la matière. » Le 17 septembre 1835, le HMS Beagle, avec à son bord l'auteur même de ce propos, Charles Darwin, touchait terre sur une île de l'archipel des Galapagos, dans le Pacifique. Tandis que Darwin s'émerveillait des différents morphotypes* d'espèces qu'il y découvrait et qui seront à l'origine de sa théorie sur l'évolution, il ne se doutait pas que les abysses de cette même région du Globe seraient le théâtre, cent quarante deux ans plus tard, d'une fabuleuse découverte.

Le 15 février 1977, une mission océanographique américaine regroupant des géochimistes et des géologues, et dirigée par John Corliss, de l'université de l'Oregon, découvrit par 2 600 m de fond sur la dorsale océanique des Galapagos une communauté animale tout à fait étonnante, constituée d'organismes le plus souvent inconnus de la science. La présence d'une telle densité biologique non suspectée, ni même imaginée, sauf peut-être par le célèbre romancier d'avant-garde Jules Verne, demeura une véritable énigme durant plusieurs années. En effet, tous les écosystèmes sur la Terre, qu'ils soient terrestres ou aquatiques, dépendent de la présence d'organismes dits autotrophes, c'est-à-dire capables de synthétiser des molécules organiques à partir du dioxyde de carbone puisé dans leur environnement. C'est notamment le cas des végétaux, qui utilisent l'énergie solaire pour réaliser ces processus chimiques lors du phénomène de photosynthèse. Toutefois, la photosynthèse est impossible à grande profondeur, en raison de l'obscurité totale. Comment la vie pouvait-elle se développer dans ces ténèbres ? Une fois leur surprise passée, les scientifiques remarquèrent que cette luxuriance animale était restreinte aux zones d'hydrothermalisme sous-marin. La dorsale océanique, chaîne montagneuse d'environ 60 000 km de long qui jalonne les fonds océaniques aux limites des grandes plaques constituant l'écorce terrestre, possède en son centre un canal, ou graben, caractérisé par une très forte activité volcanique à l'origine du phénomène de tectonique des plaques. Le magma en fusion monte, puis s'étale et se solidifie... tout en se craquelant. L'eau de mer s'infiltre alors dans ces profondes fissures, se réchauffe au contact du basalte, puis remonte par d'autres fissures. Elle est alors très chaude 300 à 400 °C, acide son pH est compris entre 2,0 et 5,9, totalement dépourvue d'oxygène et enrichie en sels minéraux, en ions polymétalliques et en composés toxiques tel que l'hydrogène sulfuré. La rencontre de ce fluide hydrothermal avec l'eau de mer provoque une précipitation des sels polymétalliques qu'il contient et engendre de hautes cheminées hydrothermales dépassant parfois 20 m : les fumeurs noirs. C'est à l'interface entre fluide hydrothermal et eau de mer, où les conditions du milieu sont agressives et temporellement hyper variables, que l'on observe les luxuriantes communautés animales des abysses.

Débat relancé. Plusieurs années passèrent avant que l'origine de cette biocénose* fût découverte. Les résultats de prélèvements de fluides hydrothermaux révélèrent la présence de fortes concentrations en hydrogène sulfuré autour des animaux. Quelques années plus tard, le groupe de Holger Jannasch, de l'institut océanographique Woods Hole, et celui de David Karl, de l'université d'Hawaii, démontrèrent l'existence de bactéries autotrophes autour et dans ces organismes1. Ces bactéries sulfoxydantes pouvaient transformer du dioxyde de carbone en molécules organiques en utilisant non pas l'énergie solaire, mais l'oxydation de l'hydrogène sulfuréI. Elles étaient donc à la base de la chaîne alimentaire de cet écosystème.

Cette découverte étonnante relança le débat sur l'origine de la vie sur TerreII. L'hydrothermalisme océanique en serait-il la clé ? Selon le Russe Alexandre Ivanovitch Oparin, biochimiste de formation, et le biologiste anglais John Haldane, ce sont les conditions physico-chimiques engendrées par la genèse de la Terre - il y a 4,55 milliards d'années - qui auraient permis la formation des molécules organiques indispensables à la vie. Ces chercheurs comparaient les conditions originelles à une réaction chimique impliquant trois éléments essentiels : l'atmosphère terrestre comme réacteur ; le Soleil comme source d'énergie ; les gaz et composés chimiques émis par le Soleil ou engendrés par le dégazage du manteau terrestre comme réactifs. Selon leur théorie, énoncée en 1922, la clé du problème des origines de la vie réside en une bonne compréhension de l'atmosphère primitive de la Terre, constituée d'une part de méthane, d'ammoniac et de vapeur d'eau provenant du Soleil, d'autre part de dioxyde de carbone, d'hydrogène sulfuré et de vapeur d'eau issus du dégazage du manteau terrestre. Les radiations UV émises par le Soleil, les décharges électriques ou encore l'énergie volcanique auraient, en rompant les liaisons chimiques de ces cinq molécules, entraîné la formation de radicaux libres réagissant très rapidement les uns avec les autres pour donner de nouvelles molécules de plus en plus complexes. Le dioxyde de carbone et le méthane induisant un effet de serre qui élève la température de la surface du Globe, la vapeur d'eau se serait condensée, formant des nuages dans la haute atmosphère avant de retomber en pluie, entraînant avec elle, dans les océans ainsi formés, les nouvelles molécules organiques composées d'atomes de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et d'azote.

Cette vision conceptuelle de l'origine de la vie fut, dans les années 1950, testée par un jeune doctorant, Stanley Miller, qui travaillait à l'université de Chicago. Il conçut un réacteur fermé, parfaitement stérile, dans lequel il était possible de faire le vide. Il introduisit dans ce système de l'eau H2O et les gaz mentionnés par Oparin et Haldane CH4, NH3 et H2S. Sous l'effet de la chaleur produite par une flamme, l'eau est vaporisée et se mélange aux gaz : c'est l'atmosphère primitive. Deux électrodes produisent des étincelles qui simulent les éclairs : c'est la source d'énergie. Un système de refroidissement provoque la condensation de la vapeur d'eau, qui entraîne avec elle les molécules nouvellement synthétisées : c'est la pluie. Finalement, le tout s'accumule au bas du système : c'est la soupe primitive constituant les océans. Après analyse, S. Miller met en évidence la synthèse d'un certain nombre de molécules organiques, notamment des sucres et des acides aminés. L'ère de la chimie prébiotique était née.

Toutefois, cette chimie bute sur un certain nombre de problèmes, au coeur d'ardentes discussions à l'heure actuelle. La composition de l'atmosphère primitive n'était probablement pas celle décrite par Oparin et Haldane. Elle aurait été moins réduite et plus riche en CO2, ce qui est indispensable à la création d'un océan liquide par le biais de l'effet de serre... mais peu propice au développement d'un organisme vivant ! De plus, la concentration des molécules organiques dans l'océan primitif aurait été extrêmement faible, du fait de l'énorme dilution subie. En outre, les interactions chimiques dans la soupe primitive devaient obligatoirement faire intervenir des catalyseurs ou des inhibiteurs, dont la présence n'est pas expliquée par la théorie de la « soupe prébiotique ». Enfin, une atmosphère primitive sans oxygène, donc sans couche d'ozone, laissait forcément passer toutes les radiations UV à l'origine de la formation de radicaux libres, cytotoxiques pour quelque organisme que ce soit, même primitif. Si la surface des océans semble donc, au final, peu propice à la naissance de la vie, qu'en est-il de ses profondeurs ?

Selon la théorie proposée par le chimiste - et avocat en brevets - Günther Wächtershäuser, la vie serait apparue en quelques fractions de seconde dans un milieu chaud dépourvu d'oxygène mais contenant de l'eau liquide, du monoxyde de carbone, du sulfure d'hydrogène, du cobalt, du nickel et de l'ammoniac, le tout à la surface d'un catalyseur solide constitué de sulfure de ferIII. Or, le sulfure de fer ou pyrite est précisément l'un des minéraux majoritaires qui composent les cheminées hydrothermales, et les autres composés sont présents aux alentours immédiats des fumeurs noirs. De plus, de nombreuses molécules biologiques présentent ce qui ressemble à une « signature hydrothermale » : les métalloprotéines, par exemple, possèdent au niveau de leur site actif des atomes de fer, de nickel, de molybdène, de cuivre, de cobalt ou encore de zinc. Par ailleurs, le thermodynamicien et géochimiste Everett Shock a, quant à lui, montré que les synthèses organiques étaient possibles dans les contraintes de l'environnement hydrothermal, environnement qui existe probablement depuis le dégazage du manteau de la Terre et devait être très actif, il y a plus de 4 milliards d'années.

Vie fossilisée. Pour autant, existe-t-il des preuves de l'existence d'une forme de vie au niveau de sites hydrothermaux fossilisés ? Les théories et expériences rapportées ci-dessus ont certes fourni des éléments de réponse quant à la chimie des origines de la vie, mais on est encore loin de comprendre comment, des molécules organiques initialement formées, ont pu naître les premiers organismes vivants. Certaines traces géologiques tendent toutefois à montrer qu'une ou plusieurs formes de vie étaient présentes dans l'hydrosphère de la Terre naissante au début de la période archéenne il y a au moins 3,5 milliards d'années, à la fin de la phase de l'intense bombardement de météorites qui a affecté la surface de la Terre2-4. Ces premiers « organismes » semblent avoir eu des formes très simples, de sphères et de bâtonnets de quelques micromètres. Des vestiges indirects ont été découverts au sud-ouest du Groenland, plus précisément au niveau de la ceinture d'Isua, constituée de roches et de dépôts sédimentaires de plus de 3,8 milliards d'années. Ces roches sédimentaires portent des traces de globules dont le caractère biotique est confirmé par le rapport isotopique du carbone et par la détection d'hopanes, molécules caractéristiques de la membrane bactérienne. Ou plutôt « semblait confirmé » : ces résultats viennent d'être remis en cause dans un article publié le 24 mai par la revue Science5.

Dans des roches de 3,5 milliards d'années, datant donc cette fois du milieu de la période archéenne, ont été identifiés de nombreux fossiles de biofilms bactériens et de stromatolites, ces structures organo-sédimentaires produites par des bactéries généralement - mais pas exclusivement - photosynthétiques6. Sur ces roches découvertes en Afrique du Sud jaspes du groupe du Fig Tree, Swaziland et en Australie North Pole, des filaments cellulaires rappelant la morphologie des cyanobactéries étaient bien visibles. Par ailleurs, d'autres micro-fossiles filamenteux vieux de 3,2 milliards d'années ont été trouvés dans des dépôts soufrés d'origine volcanique dans l'ouest de l'Australie. Cette découverte semble prouver que la vie était présente au niveau des sources hydrothermales océaniques au milieu de la période archéenne7. Difficile, toutefois, de préciser l'exacte nature de ces vestiges, comme en témoignent les récentes divergences analytiques de filaments observés dans les sédiments australiens de Chinaman Creek, vieux de 3,46 milliards d'années. Si l'équipe dirigée par William Schopf de l'université de Californie, à Los Angeles et celle menée par Martin Brasier de l'université d'Oxford s'accordent sur l'existence d'une forme de vie dans ces roches, les premiers assimilent les filaments observés à des fossiles de bactéries, les seconds, à des concrétions purement minéralesIV.

Les roches archéennes plus récentes présentent, quant à elles, de très nombreuses traces de vie. Des stromatolites fossiles bien développées, et datant d'environ 3 milliards d'années, ont été découvertes à Steep Rock, dans l'Ontario, et à Pongola, en Afrique du Sud. Des micro-fossiles provenant de l'ouest de l'Australie et datant de 2,7 milliards d'années ont quant à eux fourni des évidences plus directes : on y a mis en évidence des lipides d'origine biologique. Or ces molécules hydrocarbonées, en particulier le 2a-méthylhopane, sont des biomarqueurs qui caractérisent les cyanobactéries8. Cette découverte indique donc que les mécanismes de la photosynthèse étaient présents à la fin de la période archéenne. Les Eucaryotes devaient l'être également : on a retrouvé leur signature, en l'occurrence des molécules appelées stéranes, dans des roches de cette époque.

Toutefois, l'hypothèse selon laquelle l'ancêtre commun de toutes les bactéries aurait vécu à haute température dans les sources hydrothermales ne remporte pas tous les suffragesV. En effet, elle semble contradictoire avec celle, de plus en plus défendue, selon laquelle les organismes à ARN auraient précédé ceux à ADN. Or, qui dit ARN dit très faible stabilité face à la chaleur. L'hypothèse du « monde à ARN » implique en outre que l'environnement de ces premières formes de vie ait été riche en phosphate, pour permettre aux molécules d'ARN d'avoir accès à cette source indispensable à leur processus d'auto-réplication. D'un point de vue géologique, un tel environnement est principalement présent à proximité de systèmes volcaniques alcalins continentaux. Néanmoins, on trouve aussi des phosphates dans des roches telles que celles qui constituent une grande part du plancher océanique les serpentinites et dans les laves très riches en magnésium émises à l'Archéen. Or, même si la plupart des sources hydrothermales découvertes à ce jour traversent des sols basaltiques, il en existe aussi qui reposent sur des serpentinites, comme l'a montré la découverte du site de Lost City la Cité perdue en 20019. Ces sources hydrothermales, hors dorsale océanique, ne proviennent pas d'une activité volcanique. Elles sont formées de dépôts carbonatés qui résultent d'une réaction exothermique entre l'eau de mer et certains composants de la lithosphère* océanique, lors de la formation des serpentinites. Le fluide qui s'en échappe est très alcalin son pH peut dépasser 9 et relativement froid 40 à 75 °C, soit des conditions plus compatibles avec le « monde à ARN » que celles offertes par les sources hydrothermales localisées dans l'axe des dorsales, et constituées majoritairement de sulfures polymétalliques.

Alors la vie est-elle née dans l'océan au niveau des sources hydrothermales ? Rien n'est moins sûr, même si un solide faisceau de présomptions le laisse supposer. Ne proviendrait-elle pas plutôt... de l'espace ? Cette théorie alternative est soutenue par les exobiologistes, qui postulent que les premiers stades de la vie seraient apparus sur Mars10. Il n'y a pas de véritable consensus quant à l'existence passée ou présente d'un mode de vie sur la planète Rouge. Cependant, en dépit d'une forte activité volcanique lors de sa genèse, les conditions de vie sur Mars auraient été plus clémentes que celles qui existaient sur la Terre à la même période. Comme des collisions de météorites avec Mars sont vraisemblables, elles auraient pu provoquer l'éjection de matériaux de Mars jusqu'à la Terre. Devant ce panel d'explications plus ou moins invérifiables, la fuite en avant est de rigueur. Les explications repoussées vers des contrées interplanétaires, et accessibles quasi uniquement au travers de scénarios de science-fiction, sont de mise. Néanmoins, il arrive parfois que le rêve rejoigne la réalité, avec les missions interplanétaires, passées ou futures, organisées par la NASA sur Mars ou EuropeVI, VII.

Par Franck Zal

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BIOLOGIE
Cellules souches, résultats embryonnaires

biologie - par Cécile Klingler dans mensuel n°382 daté janvier 2005 à la page 38 (2927 mots) | Gratuit
En 2004, il ne s'est guère passé un mois sans que les cellules souches embryonnaires attirent l'attention des médias. Un discours rituel s'est instauré, qui les présente comme susceptibles de guérir, un jour, les maladies de Parkinson et d'Alzheimer, le diabète, les maladies cardiaques... Mais du fantasme à la réalité il y a un monde.

Autoriser le cannabis à usage médical dans le Montana, augmenter le salaire minimum à 6,15 $ de l'heure en Floride, approuver une loterie d'État en Oklahoma... et accepter de financer la recherche sur les cellules souches embryonnaires humaines en Californie : le 2 novembre, jour d'élection présidentielle, les électeurs devaient aussi se prononcer sur les mesures les plus diverses [1]. Approuvée par 59 % des votants, la proposition 71 ouvre la porte à la création du California Institute for Regenerative Medicine, un institut consacré à la recherche sur les cellules souches embryonnaires - les cellules ES -humaines. Les recherches financées seront prioritairement celles qui ne peuvent bénéficier de l'argent fédéral. Autrement dit, celles portant sur des lignées de cellules ES humaines autres que celles établies avant le 9 août 2001 et recensées par les National Institutes of Health vingt-deux à ce jour. C'est environ 3 milliards de dollars que la Californie devrait injecter, sur dix ans, en émettant des obligations d'État. Soit 300 millions de dollars par an, alors qu'en 2003 l'État fédéral n'en a alloué « que » 25 millions aux travaux sur les lignées autorisées. Autant dire que le chaos législatif qui règne aux États-Unis n'empêchera pas les recherches sur les cellules ES de disposer de budgets colossaux. Chaos législatif ? L'expression n'est pas trop forte : à chaque État sa loi quant au type de recherches autorisées ou non, et pas de loi fédérale, à part celle citée plus haut concernant certains financements. Pas même de loi fédérale bannissant le clonage reproductif !

Un pays, une loi

En France, c'est le contraire. Depuis le 6 août 2004, date d'inscription au Journal officiel de la loi de bioéthique révisée [2], le cadre législatif est clair : le clonage reproductif et le clonage « thérapeutique » sont interdits ; les recherches sur les cellules souches embryonnaires issues d'embryons produits dans le cadre de la procréation médicalement assistée sont autorisées, par dérogation, pour cinq ans. Côté finances, en revanche, c'est encore le flou... De l'autre côté de la Manche, la Grande-Bretagne, pragmatique, dispose quant à elle d'un cadre législatif bien défini - clonage reproductif banni, autorisation des travaux sur les cellules souches embryonnaires, quelle que soit leur source, sous le strict contrôle de la Human Fertilisation & Embryology Authority la HFEA*. Le pays investit des sommes importantes, qu'il s'agisse de financements gouvernementaux ou de fonds privés et associatifs. Ainsi le Medical Research Council l'équivalent de l'Inserm a-t-il alloué en mai 16,5 millions de livres, soit 20 millions d'euros, à des équipes « cellules ES » dont certaines travaillent sur les cellules ES humaines, puis 1,5 million de livres en juin, pour le futur Institut des cellules souches de Cambridge. Un institut dont le reste du financement - d'un montant global de 16 millions de livres - sera assuré par d'autres sources, dont la Juvenile Diabetes Research Foundation.

Qu'il s'agisse des États-Unis ou de la Grande-Bretagne, les fondations consacrées à telle ou telle pathologie sont très mobilisées. Et pour cause : les cellules ES ne sont-elles pas censées, un jour, guérir « les maladies de Parkinson et d'Alzheimer, le diabète, les maladies cardiaques », pour reprendre la liste la plus fréquemment énumérée ? Ces cellules, que l'on extrait d'embryons au stade blastocyste fig. 1, sont en effet pluripotentes, c'est-à-dire potentiellement capables de se différencier en n'importe quel type de cellule.

Maîtriser cette capacité in vitro, voilà le défi qui fait le plus de bruit ! Les articles se succèdent, qui décrivent l'obtention de divers types de cellules à partir de cellules ES humaines. Toutefois, « il s'agit plutôt de l'observation d'une différenciation spontanée des cellules ES, souligne Michel Puceat, directeur de l'équipe « cellules ES et différenciation cardiaque » du CNRS, à Montpellier. On arrive à définir des conditions qui favorisent la croissance ou la survie de tel ou tel type cellulaire parmi tous ceux issus de la différenciation spontanée. Mais nous sommes encore loin de pouvoir nous affranchir de ce phénomène, et de savoir engager le devenir des cellules ES vers un seul et unique type cellulaire ».


Maîtriser la différenciation

Cela dit, la maîtrise in vitro de la différenciation des cellules ES est-elle un préalable incontournable à leur lointaine utilisation clinique ? Pas forcément. Car bien des critères entrent en ligne de compte, selon l'objectif affiché.

Côté coeur, par exemple : veut-on régénérer le muscle après un infarctus, ou traiter des troubles du rythme ? Dans le premier cas, ce sont des centaines de millions de cellules mortes qu'il faudra remplacer. Or, il semble difficile, d'une part, d'obtenir in vitro suffisamment de cellules musculaires cardiaques des cardiomyocytes qui ne soient pas contaminées par d'autres types cellulaires et, d'autre part, de transplanter cette grande quantité de cellules sans les endommager leur appareil contractile, très actif, est fragile. Pour Michel Puceat, la technique la plus appropriée serait donc d'injecter les cellules ES indifférenciées, directement dans le muscle cardiaque. « Cela marche assez bien chez le rat et la souris, avec des cellules ES de souris, indique-t-il. Une bonne part de ces cellules se différencient, la zone nécrosée est réparée, et on constate une restauration de la fonction cardiaque. Mais il arrive aussi qu'on observe des tumeurs, chez la souris... [3] » Aussi son équipe s'est-elle lancée dans un perfectionnement de cette approche, en prétraitant in vitro les cellules ES avec un facteur cardiogénique qui oriente leur différenciation en cellules cardiaques après la greffe. Chez le mouton, les expériences menées en collaboration avec le professeur Philippe Menasché, spécialiste de chirurgie cardiovasculaire à l'hôpital Georges-Pompidou de Paris, ont été concluantes : des cellules ES de souris, prétraitées, se sont différenciées en cardiomyocytes. Du coup, des expériences de validation du concept chez les singes auront lieu en 2005.

Rien à voir avec l'approche employée par l'équipe israélienne de Lior Gepstein, dont l'objectif est de s'attaquer aux troubles du rythme. En l'occurrence, il ne s'agit pas de remplacer des cellules, mais de coordonner le rythme de toutes celles présentes. Des premiers travaux avaient permis aux chercheurs d'Haïfa d'orienter en partie la différenciation spontanée de cellules ES humaines vers la production in vitro de cardiomyocytes, assemblés en petits conglomérats. Or, ces conglomérats battaient en mesure. D'où la tentative de s'en servir comme « pacemaker » chez des porcs, en les injectant dans leur coeur préalablement rendu arythmique. Résultat ? Un rythme régulier a été recouvré, indiquent-ils dans un article publié en ­octobre 2004 [4].

On le voit, la généralisation n'est donc pas de mise. Qu'en est-il du côté des maladies neurodégénératives, les plus citées par celui qui veut déclencher l'enthousiasme des foules vis-à-vis des cellules ES ? Laissons ici de côté la maladie d'Alzheimer, qui, n'en déplaise à Mme veuve Reagan, n'est pas la pathologie pour laquelle les cellules souches offrent le plus d'espoirs lire ci-contre « Alzheimer et cellules souches : un espoir excessif ? ». Prenons la maladie de Parkinson, qui, comme la chorée de Huntington, fait l'objet d'essais cliniques de greffes de neurones foetaux, essais qui constituent une solide base de travail pour qui voudra utiliser les cellules ES. « Les cellules souches peuvent trouver une application, mais pas en tant que telles, insiste Philippe Hantraye, spécialiste du système nerveux central dans l'unité CEA/CNRS du service hospitalier Frédéric-Joliot, à Orsay. Elles s'insèrent dans une démarche globale. Leur rôle principal est de répondre à la problématique suivante : nous n'avons pas, à l'heure actuelle, d'autres cellules à utiliser que les neurones embryonnaires humains, qui fonctionnent, mais sont en nombre limité et posent un problème d'éthique. Par ailleurs, les cellules greffées ne peuvent que remplacer les neurones perdus ; elles ne peuvent s'opposer à la progression de la maladie. »

Contraintes cliniques

Ces neurones perdus, quels sont-ils ? Les premiers affectés dans la maladie de Parkinson sont situés dans une zone appelée substance noire, et émettent des prolongements versune autre zone, le striatum, où ils libèrent de la dopamine. Chez l'animal malade, des cellules embryonnaires ont été injectées dans la substance noire. Mais une fois là elles n'émettent pas de terminaisons dopaminergiques jusque dans le striatum. D'où l'idée de les greffer directement dans ce dernier, où elles se différencient et libèrent la dopamine. « Dans ce cas précis, les cellules souches pourraient faire l'affaire, indique Philippe Hantraye. Mais leur utilisation devra certainement être combinée avec les techniques de transfert de gène : les cellules sont génétiquement modifiées in vitro pour faire en sorte qu'elles se différencient en neurones dopaminergiques après l'implantation, et qu'elles ne génèrent pas de tumeurs comme le font les cellules ES non modifiées [5]. »

La démarche a été tentée chez l'animal, avec des résultats encourageants [6]. Mais pourquoi ne pas plutôt greffer des cellules préalablement différenciées in vitro en neurones ? « Tout simplement parce que, si l'on procède ainsi, les projections neuronales sont cassées au cours de la transplantation, ce qui compromet gravement la survie des greffons », expose Philippe Hantraye. Il recommande par ailleurs de ne pas se livrer à des extrapolations excessives : « Plusieurs équipes ont ciblé Parkinson, car greffer quelques cellules dopaminergiques dans un striatum suffit à obtenir un effet réparateur significatif chez le rat, ce qui permet de publier rapidement [7]. Chez l'homme, les cellules ES représentent certes un potentiel, mais ce sera beaucoup plus compliqué ! » Du reste, à son avis, les premiers essais de greffes de cellules ES chez les humains concerneraient plutôt des patients atteints de chorée de Huntington, pour lesquels on ne dispose pas de moyens de masquer pendant un temps l'évolution de la maladie, comme c'est le cas pour Parkinson avec les médicaments.

Coeur, cerveau... pancréas ? Le 3 juin 2004, l'Inserm a annoncé le premier anniversaire de vie « greffée » d'un patient diabétique ayant bénéficié, au CHU de Lille, d'une transplantation d'îlots de cellules du pancréas celles qui, dans le diabète de type I, sont détruites par un mécanisme auto-immun. Cette technique de thérapie cellulaire, moins lourde que la transplantation de pancréas, est, comme cette dernière, mise en oeuvre quand l'insulinothérapie échoue à contrôler la glycémie. Dans ce contexte, quelle serait la place des cellules ES ? L'idée serait d'orienter in vitro leur différenciation en cellules, pour disposer de davantage de cellules à greffer.

Rejet ou non ?

Mais dans ce domaine, on en est « à peu près au point zéro », assène Raphaël Scharfmann, directeur de l'unité E0363 de l'Inserm, et spécialiste des organes endocrines. « De nombreuses publications sont sorties ces dernières années concernant la production de cellules à partir de cellules ES. Aucune de ces approches n'a tenté de reproduire à partir de cellules ES les étapes physiologiques du développement du pancréas. Et glo{Fbalement les données obtenues ne sont pas reproductibles. » François Pattou, spécialiste de thérapie cellulaire à l'université de Lille et à l'Inserm, insiste quant à lui sur la nécessité d'obtenir des cellules qui répondent physiologiquement au complet cahier des charges d'une cellule ß : des cellules productrices d'insuline, mais aussi parfaitement régulées par le glucose et donc capables de contrôler finement la glycémie. Il pointe également du doigt un autre problème : « L'obstacle majeur, c'est le rejet des greffons. Et ce problème ne sera peut-être pas surmonté avec les cellules souches. » L'immunologie des cellules souches en est certes à ses balbutiements, mais de premiers travaux in vitro indiquent en effet qu'une fois différenciées elles expriment des marqueurs de l'immunité, alors que ce n'est apparemment pas le cas à l'état indifférencié [8].

Du coup, que penser de l'annonce suivante ? Au printemps 2004, la HFEA a autorisé une équipe de Newcastle à tenter d'obtenir une lignée de cellules ES à partir d'embryons produits par clonage, en utilisant le noyau de cellules de patients diabétiques [9]. L'argument avancé par les chercheurs est que les cellules ES ainsi obtenues engendreraient des cellules compatibles avec le malade, permettant ainsi d'éviter le rejet et de s'affranchir d'un traitement immunosuppresseur. Cet argument tient-il la route ? « En ce qui concerne le diabète de type I, cela ne résoudrait rien ! réagit François Pattou. Car n'oublions pas que c'est une maladie auto-immune. On s'affranchirait certes du rejet allo-immun* , mais le système immunitaire du patient détruirait ces très hypothétiques cellules ß personnalisées comme il détruisait celles de son pancréas ! » Sans même parler de tous les aléas et incertitudes de la manoeuvre de clonage, et de son très faible rendement en matière d'obtention de lignée, tel qu'illustré par la tentative coréenne de mars 2004 lire « Clonage et cellules souches », p. 31.

Lignées malades

Du reste, côté rejet, certaines expériences avec des cellules ES « normales » provenant d'un embryon non cloné, ont donné des résultats surprenants. Ainsi l'équipe de Michel Puceat a-t-elle réalisé des greffes cardiaques de cellules ES en l'absence du moindre traitement immunosuppresseur, entre animaux de même espèce et entre animaux d'espèces différentes, sans qu'aucun rejet se produise, même après huit mois [10] ! D'autres équipes s'y sont également risquées, avec le même résultat : absence de rejet [11]. « Nous ignorons totalement quel est le mécanisme mis en oeuvre, avoue Michel Puceat. Mais, personnellement, je pense que le recours à des lignées issues d'embryons clonés n'est pas a priori justifié pour résoudre ce problème, et que l'argument d'immunocompatibilité avancé est trop dogmatique. On doit d'abord définir avec précision les caractéristiques immunologiques des cellules ES. »

Côté britannique, plutôt que de s'attarder sur la très « clonesque » annonce de la HFEA, on retiendra donc plutôt les résultats de l'équipe de Stephen Minger, du King's College à Londres. En septembre 2004, ils ont annoncé avoir produit une lignée de cellules ES humaines porteuses de l'anomalie génétique responsable de la mucoviscidose [12]. La première lignée « malade » disponible. Cette lignée a été dérivée d'un embryon obtenu par fécondation in vitro dans le cadre d'un protocole de diagnostic préimplantatoire DPI : une analyse est réalisée sur une des cellules de l'embryon à trois jours de développement, pour déterminer s'il est ou non porteur de la maladie, de façon à n'implanter chez la mère qu'un embryon dépourvu de la mutation. La technique est utilisable pour les maladies génétiques incurables pour lesquelles les gènes responsables ont été clairement identifiés - la mucoviscidose par exemple, mais aussi la chorée de Huntington, ou certaines maladies neuromusculaires.

L'intérêt de telles lignées est double. D'abord, elles consti­tuent un « modèle » cellulaire plus « humain » qu'une lignée de souris transformée avec le gène muté humain. « Cette démarche permettra d'acquérir des données précieuses sur les mécanismes qui font que les cellules meurent ou dysfonctionnent, appuie Philippe Hantraye. Avec cette réserve, nuance-t-il, que les cellules s'adaptent à l'in vitro, et que certains des mécanismes observés peuvent n'exister que dans ces condi­tions de culture. Donc, cela n'affranchit pas des études in vivo. »

Cellules voyageuses

Cette approche devrait sous peu être mise en oeuvre par des équipes françaises dans le cadre d'une collaboration européenne coordonnée par Marc Peschanski, qui dirige l'équipe chargée de mettre en place un futur institut des cellules souches financé par l'Inserm, le Genopole et l'AFM à Évry. Des embryons « malades », obtenus dans le centre de DPI strasbourgeois dirigé par Stéphane Viville, seront envoyés à l'Institut de recherche sur les cellules souches d'Édimbourg. Ils ne seront pas congelés, mais voyageront dans du milieu de culture et arriveront donc « frais » à destination. Là, l'équipe d'Austin Smith établira les lignées, lesquelles seront ensuite réexpédiées en France. Pourquoi ce périple ? D'une part, parce que les chercheurs français doivent se former à l'établissement de lignées de cellules ES humaines. D'autre part, en raison d'impératifs extra­scientifiques : si la loi de bioéthique inscrite au Journal officiel en août 2004 autorise ce genre d'expériences, le seul décret d'application paru pour l'instant ne permet que l'importation de cellules ES [13].

Les lignées porteuses d'une mutation pourront également être mises à profit pour tester l'effet de différentes molécules sur les cellules différenciées «malades ». Mais même les lignées de cellules souches ES normales pourraient être utilisées comme plate-forme de test. A priori, elles constituent en effet un outil intéressant pour évaluer l'impact de différents composés sur le potentiel de différenciation des cellules. Le potentiel de cette approche est pris en considération par les instances européennes, dans le cadre du 6e programme-cadre de la DG Recherche. Ainsi, l'un des contrats signés à l'issue du premier appel d'offres finance un projet de recherche, appelé ReProTect, dont une petite partie consiste à étudier la validité de l'utilisation des cellules ES humaines comme méthode alternative à l'expérimentation animale en embryotoxicologie [14]. il est difficile de prédire l'avenir, mais s'il est loin de n'appartenir qu'aux seules cellules souches embryonnaires, elles en feront indéniablement partie.

LE CONTEXTE : Dans la maison « cellules souches », deux familles cohabitent : les cellules souches embryonnaires et les cellules souches adultes. Les premières peuvent se différencier en tout type cellulaire. Les secondes n'engendrent normalement que les types cellulaires d'un ­lignage bien précis. Leur capacité à engendrer des cellules sans rapport avec leur lignage d'origine, démontrée in vitro, est très discutée dès qu'il s'agit d'in vivo. Cette incertitude renforce l'attrait des cellules souches embryonnaires. Les débats éthiques qu'elles suscitent ont contribué, dans plusieurs pays, à l'instauration de lois posant les limites des recherches sur l'embryon. Dans d'autres, ils sont si vifs qu'ils freinent l'adoption d'une législation. Mais dans beaucoup la recherche sur les cellules souches embryonnaires devient une réalité incontournable.

Par Cécile Klingler

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TRAITEMENT DE L'EAU
Le traitement de l'eau en 6 questions

traitement de l'eau - par Gabrielle Carpel, Gautier Cariou, Clément Delorme, Martin Koppe dans dlr n°51 daté septembre 2012 à la page 82 (2092 mots) | Gratuit
Stations de potabilisation et stations d'épuration doivent adapter leurs technologies pour être en conformité avec les normes de qualité de l'eau et satisfaire aux exigences de santé publique.

1. Quels sont les nouveaux polluants de l'eau ?
Ils sont nombreux et omniprésents ! 950 pesticides, hydrocarbures, métaux et autres composés organiques ont été recherchés dans les milieux aquatiques français de 2007 à 2009. Et pas moins de 413 d'entre eux y ont été détectés. Ils sont désignés par le terme de « micropolluants », non pas à cause de leur taille, mais parce qu'ils sont présents en très faibles quantités dans le milieu : moins d'un microgramme par litre. Surtout issus de l'agriculture et de l'industrie, ces derniers sont susceptibles d'affecter la santé et l'environnement, y compris à très faible dose.

Parmi les produits qui dépassent le plus souvent les normes dans les cours d'eau, on trouve des herbicides, tels que l'isoproturon (employé dans la culture du blé et de l'orge), le diuron (utilisé dans les plantations de canne à sucre et de bananiers) ou l'atrazine. Ces deux dernières substances sont interdites, respectivement depuis 2008 et 2003, à cause de leur durabilité dans l'environnement. Au final, seuls 7,6 % des cours d'eau étudiés ne contenaient aucune trace de pesticide. Les milieux aquatiques contenaient également des hydrocarbures aromatiques polycycliques issus de diverses combustions et des polybromodiphényléthers, ou PBDE, utilisés pour les objets ignifugés.

Le problème, c'est que les micropolluants sont trop nombreux pour faire l'objet d'un traitement au cas par cas. Et ils sont loin d'être supprimés par les techniques d'épuration classiques des eaux usées. Ainsi, un des procédés les plus courants de traitement de l'eau, les boues activées, laisse passer plus de 70 % de certains micropolluants, au rang desquels des antidépresseurs, comme le diazépam (Valium), des bronchodilatateurs, tel le salbutamol (Ventoline), et les herbicides diuron et isoproturon.

2. Est-il obligatoire pour une ville ou une usine de traiter ses eaux usées ?
Oui. Pas question de rejeter l'eau directement dans les cours d'eau sans la traiter au préalable. C'est pourquoi villes et villages sont reliés à un réseau collectif dans lequel les eaux usées convergent vers une ou plusieurs stations d'épuration. La taille des stations et le type de traitement utilisé varient en fonction de la quantité de pollution émise par habitant. Cette dernière est évaluée via l'indice « équivalent-habitants » (EH), qui correspond à un taux de pollution fixé par la législation européenne. Lyon est ainsi pourvue de deux stations de près d'un million d' EH chacune, tandis qu'à Lopérec, village de Bretagne, cette capacité se limite à 100 EH.

Après une enquête publique, certaines communes peuvent prendre la décision de ne pas se raccorder au réseau collectif. Souvent, il s'agit de lieux isolés pour lesquels le raccordement est trop compliqué à réaliser et coûterait trop cher. En France, cela concerne 10 % de la population : les habitants construisent alors d'une installation et épurent eux-mêmes leurs eaux usées. Dans ce cas, la commune doit mettre en place un service public, dit « d'assainissement non collectif », qui se charge du contrôle de ces installations au moment des travaux, puis au moins une fois tous les huit ans.

Les industriels peuvent, eux aussi, se raccorder au réseau collectif, sous réserve d'obtenir l'autorisation des collectivités. Selon la nature et la quantité des polluants fixées par le Code de la santé publique, le maire prend la décision d'accepter ou non le déversement des effluents industriels dans le réseau. Nombreuses sont les usines qui ne sont pas raccordées et qui possèdent leur propre station d'épuration. C'est le cas, notamment, des usines de traitement de surfaces métalliques. Elles utilisent des réactifs corrosifs et non biodégradables, qui pourraient mettre en péril à la fois le traitement biologique par boues activées, le réseau d'assainissement et les travailleurs qui l'entretiennent. Du point de vue pénal, la loi prévoit jusqu'à deux ans d'emprisonnement et 75 000 euros d'amende en cas de pollution de l'environnement.

3. Quel procédé est le plus utilisé dans les stations d'épuration ?
Les installations françaises utilisent surtout une méthode biologique de traitement : le procédé des boues activées. Cette technique, très adaptée au traitement de gros volumes d'eau des grandes et moyennes collectivités, est mise en oeuvre dans de vastes bâtiments en béton. Elle tire parti de l'appétit de micro-organismes, lesquels se développent naturellement dans les eaux usées.

Les eaux à traiter sont mises en présence d'un ensemble de bactéries capables de digérer les pollutions biodégradables. Concentrés dans des réacteurs, les micro-organismes se regroupent en flocons et circulent librement dans le bassin. Ces flocons forment, par décantation, les boues activées. Une fois la dépollution terminée, on peut les récupérer sans utiliser de réactifs chimiques.

Ce procédé se révèle très efficient. En présence d'oxygène, au moins 90 % des pollutions carbonées sont éliminées en quelques heures. Les bactéries qui se développent dans cet environnement captent les résidus organiques issus des matières fécales dissoutes dans l'eau et les utilisent pour se multiplier. Cette méthode est aussi la seule qui permette d'effectuer le plus efficacement un traitement des phosphates et des dérivés de l'azote. Cependant, les conditions requises par les bactéries pour traiter ces polluants sont différentes. Les bactéries déphosphatantes éliminent jusqu'à 60 % des phosphates provenant des lessives. Pour cela, il faut les priver d'oxygène. Elles libèrent alors dans l'eau leurs phosphates intracellulaires. Elles sont ensuite placées dans un milieu oxygéné : elles réabsorbent alors davantage de phosphates qu'elles n'en ont perdus.

Les dérivés azotés, eux (des résidus ammoniacaux issus de l'urine et des détergents), subissent un traitement inverse. Les micro-organismes oxydent l'ammoniaque en nitrates en présence d'oxygène, puis les libèrent sous forme d'azote gazeux dans un environnement désoxygéné.

Utilisé depuis environ huit décennies, ce procédé profite d'un fort retour d'expérience et s'en trouve parfaitement maîtrisé. Depuis neuf ans, il est parfois combiné avec une technique de culture fixée sur lit fluidisé, pour gagner en compacité. À ce jour, il procure les rendements d'épuration les plus satisfaisants au regard des politiques européennes et permet de traiter des volumes d'eaux usées importants à des coûts raisonnables. Même si quelques ombres noircissent ce tableau, comme la consommation énergétique importante de ces stations, due à l'oxygénation des bassins, ou encore l'intégration dans le paysage de ces grands ouvrages.

4. Quels procédés distinguent une station d'épuration d'une station de potabilisation ?
La station de potabilisation, en amont de la chaîne de l'eau, permet de fournir l'eau potable qui sort du robinet. En aval, la station d'épuration sert à retraiter les eaux usées. Produits de nettoyage, matières fécales, graisses et autres déchets issus des villes et des industries doivent être retirés avant de rejeter les eaux usées dans le milieu naturel. En 2011, la France comptait quelque 19 300 stations d'épuration.

La qualité de l'eau demandée en sortie des deux types d'usines n'est pas la même : elles n'utilisent donc pas les mêmes procédés. Si les techniques de traitement de l'eau diffèrent d'une usine française à l'autre, il existe des procédés communs.

Pour rendre l'eau potable, les usines de potabilisation « standard » proposent un déroulement en cinq grandes étapes. D'abord, les eaux brutes passent par le dégrillage et le tamisage qui filtrent les plus gros déchets, du type feuilles, insectes ou papier toilette. Au cours de la floculation, on rajoute à cette eau un coagulant, qui permet de regrouper les particules solides en flocons. Ces derniers tombent alors au fond du bassin, où ils sont récupérés. L'eau est ensuite filtrée à travers un filtre de sable, puis sur un filtre de charbon actif - poudre noire composée de matière carbonée -, qui bloque les derniers déchets invisibles, comme les pesticides. Si l'eau contient des bactéries ou des virus, ils sont éliminés par l'ozone, bactéricide. Enfin, l'eau reçoit régulièrement du chlore à différents points du réseau de distribution, afin d'empêcher le redéveloppement de bactéries.

Les usines d'épuration n'ont, quant à elles, pas besoin de réaliser un traitement aussi poussé : l'eau rejetée n'a pas vocation à être potable. Elle est d'abord traitée, comme dans les usines de potabilisation, par le passage dans des grilles. Ensuite, elle subit un dessablage et un déshuilage. Sables et graviers se déposent au fond, puis sont évacués. Les graisses remontent à la surface, grâce à des injections d'air, avant d'être collectées. Vient ensuite la décantation, au cours de laquelle les matières présentes dans l'eau se déposent au fond du bassin, pour être récupérées par raclage. Pour éliminer les polluants organiques encore présents dans l'eau, on utilise l'oxygène et les boues activées, composées essentiellement de micro-organismes. Ces boues sont ensuite extraites de l'eau, grâce à l'étape de clarification. Certaines stations d'épuration rajoutent une dernière étape de désinfection aux UV. L'eau peut enfin être rejetée dans les fleuves et les rivières.

5. Quels sont les critères pour qu'une eau soit potable ?
Soixante-trois : c'est le nombre de paramètres principaux à respecter pour avoir une eau propre à la consommation humaine en France. Ils vont de critères microbiologiques (l'absence de bactéries et de virus) à des paramètres chimiques. Les nitrates ne doivent pas dépasser une « concentration maximale admissible », par exemple.

À l'inverse, certaines substances considérées comme indispensables à l'organisme doivent être présentes à faibles doses, tels les oligoéléments (iode, fer, etc.). L'eau potable doit être une eau que l'on peut boire sans risque pour la santé. Mais pas seulement. Le goût, l'odeur, la couleur et même le fait que l'eau soit trouble font partie des critères de potabilité définis par la législation française. Ainsi, la couleur de l'eau doit être « acceptable pour les consommateurs » et n'avoir « aucun changement anormal ».

Les eaux de source et les eaux minérales sont aussi des eaux potables. Issue des nappes souterraines non polluées, l'eau de source est naturellement propre à la consommation. Les eaux minérales sont des eaux de source avec une teneur constante en sels minéraux et en oligoéléments. Ces deux eaux ne subissent que très peu ou pas du tout de retraitement.

L'eau du robinet est, elle, définie comme potable à la sortie des usines de potabilisation. Mais toutes les eaux ne sont pas destinées à entrer dans ces installations. En particulier, les eaux usées, issues des canalisations et des usines. L'eau destinée à être potabilisée doit répondre à un certain nombre de critères. La qualité de l'eau en entrée de station de potabilité permet de déterminer le traitement plus ou moins poussé en usine. On pourrait imaginer, à tort, que toutes les eaux potables sont identiques. Si elles entrent toutes dans les normes légales, elles sont plus ou moins chargées en oligo-éléments ou en produits toxiques.

Enfin, l'état du réseau de distribution joue un rôle important sur la qualité de l'eau arrivant chez le consommateur. Une eau peut être très propre en sortie d'usine de potabilisation, mais si le réseau est défectueux, elle perdra en qualité.

6. Quel est l'état de la ressource en eau douce ?
L'eau est abondante sur Terre. Elle occupe un volume total de 1,4 milliard de kilomètres cubes. Cependant, l'eau douce ne représente que 2,8 % des ressources mondiales en eau. Tout le reste est de l'eau salée. Définie par une salinité inférieure à 3 grammes par litre, l'eau douce est principalement contenue dans les glaciers (70 %). Celle utilisée par l'homme est puisée dans les eaux souterraines, les lacs et rivières (30 %). Cela réduit à 0,84 % le volume d'eau total exploitable par l'homme.

En France, à part certaines sources identifiées, comme à Évian-les-Bains, l'eau douce n'est pas considérée comme potable. Il est donc indispensable de la traiter pour pouvoir la consommer en toute sécurité. On estime à 2 000 milliards de mètres cubes le volume d'eau souterraine stockée en France. Et celle qui coule du robinet provient à 67 % de la potabilisation de cette ressource.

D'après le bureau de recherches géologiques et minières, 30 à 40 milliards de mètres cubes par an sont puisés dans les nappes d'eau souterraine françaises. L'autre partie est tirée des eaux de surface. La qualité des ressources souterraines est évaluée sur des critères à la fois chimiques et quantitatifs. Ainsi, on qualifie une masse d'eau de « bonne ressource souterraine » si elle ne dépasse pas le taux de polluants imposé par la législation européenne. Une eau souterraine profonde, bien protégée, sera souvent de bonne qualité par rapport aux eaux superficielles (lacs, rivières), lesquelles nécessiteront un traitement plus énergivore et plus complexe. Mais ce n'est pas tout. Pour avoir une ressource souterraine de bonne qualité, il faut aussi que le volume d'eau prélevé dans cette ressource ne dépasse pas sa capacité de renouvellement. En 2009, un rapport rédigé par Eaufrance estime que 89 % des ressources souterraines françaises respectent cette condition.

Par Gabrielle Carpel, Gautier Cariou, Clément Delorme, Martin Koppe

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Paris, 15 septembre 2015
Le microbiote intestinal : acteur incontournable de la régulation du fer dans notre organisme

Les bactéries de notre intestin agissent-elles sur le métabolisme du fer, élément essentiel à la bonne santé de l'organisme ? Pour la première fois, des équipes de l'Inra et de l'Inserm, en collaboration avec le CNRS, ont montré comment les bactéries modifient les capacités de distribution et de stockage du fer dans les cellules intestinales. Le microbiote peut être considéré comme un nouveau régulateur physiopathologique de l'absorption intestinale du fer. Ces travaux sont publiés en ligne dans The Faseb Journal le 15 septembre 2015.
Téléchargez le communiqué de presse : Microbiote intestinal_Fer


Références :
The microbiota shifts the iron sensing of intestinal cells. Jean-Christophe Deschemin, Marie-Louise Noordine, Aude Remot, Alexandra Willemetz, Clément Afif, François Canonne-Hergaux, Philippe Langella, Zoubida Karim, Sophie Vaulont, Muriel Thomas, Gaël Nicolas.
January 2016 print issue of The FASEB Journal.
doi: 10.1096/fj.15-276840 fj.15-276840

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