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LA RVOLUTION MTAGNOMIQUE

 

La révolution métagénomique

16.07.2015, par Jean-Philippe Braly


Combinant les avancées du séquençage à haut débit et du big data, la métagénomique a bouleversé notre vision du monde microscopique en dévoilant l'incroyable biodiversité des écosystèmes microbiens, qu'ils résident dans les fonds marins, sous terre ou dans nos intestins...
Océans, sols, intestins… Comment étudier la biodiversité de milieux dont un seul dé à coudre contient des milliards de micro-organismes réfractaires à toute culture en laboratoire ? Réponse : par l’analyse métagénomique. Le concept ? Faire directement parler l’ADN de ces organismes ! À la croisée de la génétique, de l’écologie et de l’informatique, cette discipline émergente est en train de révolutionner de nombreux pans de la recherche.

Une invention aussi importante que le microscope

En métagénomique, la première étape consiste d’abord à extraire l’ADN de l’échantillon prélevé par des traitements physiques, chimiques ou enzymatiques. Cet ADN « en vrac » est alors exploité de diverses manières, en premier lieu à des fins d’inventaire. En effet, certains gènes dits ubiquitaires sont présents chez tous les organismes vivants, par exemple ceux codant pour les ribosomes, mais leur séquence est propre à chaque espèce, constituant ainsi une sorte de code-barres biologique. En amplifiant puis en séquençant ces gènes ubiquitaires, les chercheurs peuvent désormais établir l’inventaire complet des espèces présentes dans l’environnement échantillonné. « C’est une vraie révolution, aussi importante que l’invention du microscope il y a 400 ans… Une sorte de microscope du IIIe millénaire ! », s’enthousiasme Colomban de Vargas, chercheur à la Station biologique de Roscoff1.
 


Nous avons créé
plus de deux
millions de clones
contenant chacun
une séquence
d’ADN inconnue
de bactéries du sol.
Mais la métagénomique consiste aussi à séquencer la totalité de l’ADN présent. Un séquençage massif et systématique permis grâce au développement récent des techniques du Big Data combiné à l’utilisation de séquenceurs à très haut débit capables de séquencer plusieurs dizaines de milliards de bases nucléiques par jour ! À titre de comparaison, les chromosomes humains n’en contiennent « que » trois milliards… La masse de donnée obtenue après séquençage passe ensuite à la moulinette de logiciels qui peuvent, après avoir identifié certaines séquences parmi d’immenses bases de données génétiques, émettre des hypothèses sur leurs rôles en fonction de similarités avec des séquences connues, déterminer les interactions entre les divers organismes identifiés, etc.

On peut même insérer certaines séquences génétiques inconnues dans le génome de bactéries afin de les faire « s’exprimer », et ainsi découvrir leurs fonctions en tant que gènes. « Dans notre laboratoire, nous avons ainsi créé plus de deux millions de clones contenant chacun une séquence d’ADN inconnue de bactéries du sol », explique Pascal Simonet, chercheur au laboratoire Ampère de l’École centrale de Lyon2.

Zoom sur la biodiversité aquatique

Combinés, tous ces outils ont fait faire des bonds de géant à la biologie. Exemple : la récente analyse métagénomique de 579 échantillons d’eau de mer récoltés aux quatre coins du globe par la mission Tara Oceans. Objectif : étudier la biodiversité du plancton, cette myriade de micro-organismes à la base de la chaîne alimentaire océanique et qui produit près de 50 % de l’oxygène atmosphérique. Ainsi, au total, l’équipe Tara a séquencé une quantité d’ADN planctonique équivalant à près de 2 000 génomes humains, identifiant près de 40 millions de gènes différents, dont 80 % jusqu’ici inconnus ! « Rien que pour les organismes dotés d’un noyau (eucaryotes), nous avons séquencé près d’un milliard de code-barres génétiques, indique Colomban de Vargas. Nous avons ainsi mis à jour une diversité d’organismes unicellulaires (protistes) bien plus grande que prévu. » Les chercheurs de Tara ont également collecté le matériel génétique de plus de 35 000 espèces de bactéries planctoniques différentes. Grâce à de nouveaux modèles informatiques, ils ont même établi la nature des interactions, souvent parasitiques, entre virus, bactéries et eucaryotes.
 


Nous avons mis à
jour une diversité
d’organismes
unicellulaires
(protistes)
bien plus grande
que prévu.
Appliquée aux grands fonds marins, la métagénomique fait aussi des merveilles. Ainsi, en mai dernier, des chercheurs suédois ont fait une découverte cruciale publiée dans la célèbre revue Nature. Par analyse métagénomique des sédiments du château de Loki – une source hydrothermale située à plus de 2 300 mètres de fond entre le Groenland et la Norvège – équipe a identifié un tout nouveau groupe d’archées, des micro-organismes unicellulaires différents des bactéries et des eucaryotes. Leur particularité ? Ils possédaient de nombreux gènes de type eucaryotes.

Depuis longtemps, les spécialistes suspectaient les archées d’avoir été les ancêtres des eucaryotes, et donc de toutes les plantes et tous les animaux. Nommé Lokiarchaeota, ce nouveau groupe semble bien être le chaînon qui manquait pour expliquer l’apparition des eucaryotes il y a plusieurs milliards d’années ! Les écosystèmes océaniques ne sont d’ailleurs pas seuls à receler une étonnante diversité microbienne. « Depuis quelques années, l’étude métagénomique des lacs révèle aussi une extrême diversité génétique de virus avec de très nombreux gènes jamais vus auparavant », complète Francois Enault, bio-informaticien spécialiste des virus aquatiques au laboratoire clermontois Micro-organismes : génome et environnement3.
 

Château de Loki, source hydrothermale Le Château de Loki est le nom d'une fissure géothermique, entre le Groenland et la Norvège. C'est à cet endroit que le Lokiarchaeota a été découvert, et ferait le lien entre procaryotes et eucaryotes.
 UNIVERSITE DE BERGEN

Du monde sous nos pieds… et dans nos intestins

Un autre gisement de biodiversité microbienne se cache aussi sous nos pieds. Un seul gramme de terre peut en effet contenir jusqu’à un milliard de bactéries ! Et là encore, seule la métagénomique est capable d’étudier ce colossal réservoir biologique souterrain, qui regorge notamment de bactéries productrices d’antibiotiques naturels. « Alors que certaines bactéries pathogènes pour l’homme résistent aujourd’hui à tous les antibiotiques disponibles, ce gisement de nouveaux antibiotiques mis à jour par métagénomique est une excellente nouvelle », se félicite Pascal Simonet. Mais les antibiotiques sont loin de constituer la seule application potentielle de l’étude métagénomique des bactéries du sol. L’idée est aussi de trouver de nouvelles enzymes utiles pour l’industrie ou l’agriculture, mais aussi pour dépolluer ; c’est ainsi que l’on a découvert une bactérie dotée d’un gène capable de dégrader le lindane, un pesticide extrêmement persistant.

Le gisement
de nouveaux
antibiotiques
découvert par
métagénomique
est une excellente
nouvelle.
Enfin, l’analyse métagénomique a aussi été appliquée au corps humain, notamment à notre intestin. En effet, ce dernier recèle près de 100 000 milliards de micro-organismes, soit dix fois plus que nos propres cellules ! Une biodiversité jusque-là méconnue, car la plupart des espèces hébergées par notre système digestif ne sont pas cultivables in vitro. « Les analyses métagénomiques ont révélé une grande variabilité de familles bactériennes intestinales articulée autour de trois grands types de compositions dits entérotypes, indique Pascal Simonet. Quant à la part de flore intestinale propre à chaque individu, elle semble moins importante que prévu. »

En décryptant les fonctions de ce « second génome », les chercheurs ont aussi découvert qu’une flore intestinale saine est indispensable au bon fonctionnement de la digestion bien sûr, mais aussi pour le métabolisme, l’immunité… ou bien encore pour le système nerveux. Obésité, diabète, maladies cardiovasculaires, allergies, maladies inflammatoires : les déséquilibres de la flore intestinale sont aujourd’hui suspectés d’être à l’origine d’une kyrielle de pathologies.

Médecine, protection de l’environnement, paléontologie, agroalimentaire… Si la métagénomique reste avant tout utilisée pour mieux connaître la biodiversité microbienne, ses potentielles applications intéressent de plus en plus de secteurs. Cette discipline en plein boom n’a pas fini de nous surprendre…

 

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LA PHOTOSYNTHSE

 

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photosynthèse


Feuilles de l'arbre Ginkgo biloba
Consulter aussi dans le dictionnaire : photosynthèse
Cet article fait partie du dossier consacré à la nutrition.
Feuilles de l'arbre Ginkgo bilobaFeuilles de l'arbre Ginkgo biloba
Chez les végétaux et certaines bactéries, en présence de lumière, réaction biochimique qui, à partir de molécules minérales simples (CO2, H2O …), produit des molécules organiques glucidiques de relativement faible masse molaire. (Certaines de ces molécules sont polymérisées en glucides de masse molaire élevée [amidon], d'autres se transforment en lipides, d'autres enfin s'unissent à des molécules azotées. Le phénomène est caractérisé par une absorption de dioxyde de carbone et par un dégagement d'oxygène.) [Synonyme : assimilation chlorophyllienne.]
1. Introduction

Principe de la photosynthèsePrincipe de la photosynthèse
La photosynthèse s'effectue au niveau des organes verts des plantes, et tout particulièrement des feuilles, dont le tissu végétal est formé de cellules riches en chlorophylle (les chloroplastes). Elle produit en volume autant d'oxygène qu'elle absorbe de dioxyde de carbone, et enrichit l'atmosphère en oxygène. C'est sans doute dans la photosynthèse des temps précambriens qu'il faut voir la source de l'oxygène de l'atmosphère terrestre.
La lumière est un facteur décisif. L'intensité lumineuse optimale est différente d'une espèce végétale à une autre. Les diverses radiations qui composent la lumière blanche ont une action spécifique ; les radiations rouges (600 nm) et indigo (400-450 nm), absorbées par la chlorophylle, sont les plus efficaces ; les vertes ne sont d'aucun effet.
2. Phases de la photosynthèse

Structure d'une feuilleStructure d'une feuille
La photosynthèse comporte une phase lumineuse, au cours de laquelle l'énergie solaire est captée par la chlorophylle, suivie d'une phase sombre (ou obscure), beaucoup plus longue, où cette énergie est utilisée pour réaliser les synthèses chimiques.
2.1. La phase lumineuse

Pendant la phase lumineuse, la chlorophylle, après absorption d'un photon, dispose d'une énergie de 41 kcal par mole, dont une partie se convertit en chaleur ou en fluorescence. L'utilisation de marqueurs isotopiques (18O) a montré que l'oxygène libéré au cours de la photosynthèse provient de l'eau décomposée et non du gaz carbonique absorbé.
Il existe plusieurs types de chlorophylle. Seule la chlorophylle a transforme directement l'énergie lumineuse en énergie chimique ; la chlorophylle b et les pigments caroténoïdes associés fixent l'énergie portée par d'autres longueurs d'onde et la cèdent à la chlorophylle a.
2.2. La phase obscure

Feuille de « plante en C3 »Feuille de « plante en C3 »
Pendant la phase obscure se produisent les synthèses. Une quinzaine de secondes après l'absorption du CO2 apparaissent les premiers sucres : trioses, pentoses, hexoses, heptoses. À partir de certains hexoses se constituent le saccharose et l'amidon. Outre des glucides, la photosynthèse peut également élaborer des lipides et des protéines par liaison avec une molécule azotée.
Ce cycle existe chez les algues, les plantes des régions tempérées et tous les arbres ; ces végétaux sont dits « plantes en C3 », les corps intermédiaires les plus importants du cycle biochimique ayant une molécule possédant trois atomes de carbone (C3).
3. Adaptations particulières

3.1. Plantes en C4

Feuille de « plante en C4 »Feuille de « plante en C4 »
Chez les graminées tropicales (maïs, mil, sorgho, canne à sucre, plusieurs amarantacées et atriplex), on a découvert en 1966 un autre mécanisme, dit « photosynthèse en C4 », qui permet à ces plantes d'assimiler la totalité du CO2 de l'atmosphère interne du végétal et ainsi d'avoir un rendement photosynthétique très supérieur à celui des plantes en C3. Ce mécanisme fonctionne d'autant mieux que la lumière est plus vive et la température plus voisine de 40-50 °C.
La synthèse des glucides se faisant autour des vaisseaux conducteurs, la migration des produits synthétisés est également plus rapide ; la photorespiration y est très faible. Alors que les végétaux en C3 ont besoin de 150 à 250 g d'eau pour assimiler 1 g de carbone, les végétaux en C4 peuvent se contenter de 50 à 100 g.
3.2. CAM (Crassulacean Acid Metabolism)

Cycle de CalvinCycle de Calvin
Certaines plantes, généralement des plantes grasses et quelques fougères, fixent le CO2 pendant la nuit pour former de l'acide malique ; cet acide est décomposé pendant le jour et libère du CO2 qui, comme précédemment, est introduit dans le cycle des synthèses (cycle de Calvin) en utilisant l'énergie fixée par les chloroplastes à la lumière. Ces végétaux peuvent ainsi supporter la vie dans les milieux arides-chauds : leurs stomates se ferment le jour pour limiter la transpiration et s'ouvrent la nuit pour laisser pénétrer le CO2, les synthèses se faisant le jour suivant.
4. Importance de la photosynthèse

De la lumière reçue par une feuille, 20 % sont réfléchis, 10 % transmis et 70 % effectivement absorbés, sur lesquels 20 % sont dissipés en chaleur, 48 % perdus en fluorescence. Il reste environ 2 % servant à la photosynthèse.
Grâce à la photosynthèse, les végétaux jouent un rôle irremplaçable à la surface de la Terre ; en effet, les plantes vertes sont, avec quelques groupes de bactéries, les seuls êtres vivants capables d'élaborer des substances organiques à partir d'éléments minéraux. On estime que chaque année 20 milliards de tonnes de carbone sont fixés par les végétaux terrestres à partir du gaz carbonique de l'atmosphère et 15 milliards par les algues.
Les végétaux verts sont les producteurs primaires indispensables, premier maillon de la chaîne trophique (→ chaîne alimentaire) ; les végétaux non chlorophylliens et les animaux herbivores et carnivores (y compris l'homme) sont entièrement dépendants de la photosynthèse.

 
 
 
 

SAUVER LES ABEILLES ...

 

Les abeilles disparaissent aussi en Afrique du Sud
Sciences et Avenir avec AFPPar Sciences et Avenir avec AFP

Publié le 09-06-2015 à 09h00

La disparition des abeilles est un problème mondial. Après l'Europe et l'Amérique, l'Afrique est désormais touchée.
Les abeilles meurent les unes après les autres en Afrique du Sud. ©Michael Durham / Minden Pictures / BiosphotoLes abeilles meurent les unes après les autres en Afrique du Sud. ©Michael Durham / Minden Pictures / Biosphoto


HÉCATOMBE. Après l'Europe et les Etats-Unis, l'Afrique du Sud est à son tour touchée par la disparition des abeilles. Une perte d'autant plus importante que ces petites ouvrières sont d'indispensables pollinisatrices d'un grand nombre d'espèces végétales, notamment celles nécessaires à l'alimentation humaine. Une épidémie de "loque américaine", une maladie mortelle pour les ruches causée par un germe, est en train de faire des ravages, pour la première fois dans l'histoire récente du pays, explique Mike Allsopp, agronome spécialiste des abeilles à Stellenbosch, dans l'arrière-pays du Cap.

Un cocktail explosif

"C'est exactement la même chose qui se passe partout dans le monde", dit-il. Les abeilles attrapent des maladies parce qu'elles sont "stressées par les méthodes d'apiculture intensive, les pesticides et la pollution", alors qu'"autrefois, elles étaient moins vulnérables", dit-il. Elles souffrent "de l'homme, des pressions et du stress que les humains leur imposent". Les experts redoutent que la maladie ne se propage vers le nord, pour s'étendre au reste du continent africain, où l'apiculture artisanale fait vivre des centaines de milliers de personnes. "C'est une bombe à retardement. Toutes les ruches que j'ai examinées avec un cas de loque américaine sont mortes", indique M. Allsopp.

PROPAGATION. Lorsque Brendan Ashley-Cooper a découvert la maladie dans ses ruches en 2009, il s'est immédiatement inquiété : "Nous savions que nous allions avoir cette explosion massive de loque", raconte cet apiculteur du Cap. "Je ne savais pas quoi faire, je ne savais pas quelle serait l'étendue des dégâts. Je m'inquiétais juste pour mes abeilles." Six ans plus tard, le cauchemar est devenu réalité. Les ruches s'éteignent l'une après l'autre. La loque américaine s'attaque au couvain (l'ensemble des larves), empêchant la reproduction des ouvrières. Lorsqu'une ruche est morte, des abeilles d'autres ruches s'y précipitent souvent pour en récolter le miel. C'est ce miel contaminé qu'elles rapportent dans leur propre ruche, propageant la maladie.

L'Amérique du Nord et l'Europe sont confrontées à cette maladie depuis des siècles, mais les abeilles sud-africaines y avaient jusqu'ici résisté, notamment grâce à la grande diversité des espèces d'abeilles locales, estiment les scientifiques. Un règlement imposant que tous les produits de la ruche importés en Afrique du Sud soient irradiés a également permis d'éviter la contamination pendant très longtemps. En 2015 cependant, la bataille est mal engagée : "la loque s'est répandue massivement ces cinq derniers mois (pendant l'été austral), elle a gagné dans l'ouest du pays un territoire de 500 km sur 400 où quasiment tous les ruchers sont infectés", déplore Mike Allsopp. "Elle progresse rapidement et je ne vois pas pourquoi elle s'arrêterait, à moins qu'une intervention humaine ne parvienne à la contrôler", poursuit-il.

IRREMPLAÇABLES. Comme partout, les abeilles ne sont pas seulement des fournisseuses de miel, elles sont surtout indispensables à la pollinisation de centaines d'espèces végétales. "Nous ne pouvons pas nous permettre de perdre nos abeilles", dit M. Allsopp. "Non pas à cause du miel, mais parce que nous avons un secteur agricole d'une valeur de 20 milliards de rands (1,5 milliard d'euros) qui dépend de la pollinisation par les abeilles." Selon l'organisation Greenpeace, qui a lancé une campagne pour sauver les insectes, quelque 70% des récoltes dans le monde, qui fournissent 90% de la nourriture consommée sur terre, sont pollinisées par les abeilles.

Programme d'action

"Nous avons une équipe qui travaille actuellement à un programme d'actions qui sera annoncé dans les prochaines semaines", assure Mooketsa Ramasodi, directeur au ministère de l'Agriculture. Le plan du gouvernement prévoit de limiter les autorisations d'ouvrir des ruches, d'informer largement sur la maladie et de créer des règles plus strictes de gestion des colonies, comme l'analyse régulière des larves pour identifier les malades avant qu'elles ne contaminent toute la ruche. L'usage d'antibiotiques pour protéger les ruches, très controversé, ne sera retenu "qu'en tout dernier ressort", assure M. Ramasodi. Pour l'apiculteur Ashley-Cooper, ces mesures risquent cependant d'être insuffisantes et d'arriver trop tard, dans un secteur agricole où l'habitude est de ne pas intervenir et de laisser faire la nature. Une méthode qui avait toujours réussi aux apiculteurs, depuis des décennies.

 

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ANXIT ET ...VOLUTION

 

Paris, 13 Juin 2014


L'observation de l'anxiété, pour la première fois chez un invertébré, ouvre une nouvelle voie d'étude


Pour la première fois, des chercheurs du CNRS et de l'université de Bordeaux viennent de produire et d'observer un comportement d'anxiété chez l'écrevisse, qui disparaît lorsqu'on lui injecte une dose d'anxiolytiques. Ces travaux, publiés dans Science le 13 juin 2014, montrent que les mécanismes neuronaux liés à l'anxiété se sont conservés tout au long de l'évolution. L'analyse de ce comportement ancestral chez un modèle animal simple révèle, en outre, une nouvelle voie pour l'étude des bases neuronales de cette émotion.
L'anxiété peut être définie comme une réponse comportementale au stress consistant en une appréhension durable des événements à venir. Elle prépare les individus à détecter les menaces et à les anticiper de façon adaptée. Elle favorise donc leur survie. Cependant, lorsque le stress est chronique, l'anxiété devient pathologique et peut conduire à un état dépressif.

Jusqu'à présent l'anxiété non pathologique n'avait été décrite que chez l'homme et quelques vertébrés. Pour la première fois, elle est observée chez un invertébré. Pour y parvenir, les chercheurs de l'Institut de neurosciences cognitives et intégratives d'Aquitaine (CNRS/université de Bordeaux) et de l'Institut des maladies neurodégénératives (CNRS/ université de Bordeaux) ont d'abord exposé les écrevisses à un champ électrique de façon répétée durant trente minutes. Ensuite, ils ont placé les écrevisses dans un labyrinthe aquatique en forme de croix. Deux des bras étaient éclairés, ce qui naturellement rebute les écrevisses, et deux étaient dans l'obscurité, ce qui, au contraire, les rassure.

Les chercheurs ont alors analysé le comportement exploratoire des écrevisses. Les écrevisses rendues anxieuses ont eu tendance à rester dans les parties sombres du labyrinthe, contrairement aux écrevisses témoin, qui ont exploré l'ensemble du labyrinthe. Ce comportement est une réponse adaptative au stress subi : l'animal cherche à minimiser les risques de rencontrer un agresseur. Cet état émotionnel s'est estompé au bout d'une heure environ.

L'anxiété des écrevisses est corrélée à un accroissement de la concentration de sérotonine dans leur cerveau. Ce neurotransmetteur est impliqué dans de nombreuses régulations physiologiques tant chez les invertébrés que chez l'homme. Elle est libérée dans des contextes de stress et régule plusieurs réponses liées à l'anxiété, comme l'augmentation des taux de glucose dans le sang. Les chercheurs ont aussi montré qu'en injectant un anxiolytique d'usage courant chez l'humain (benzodiazépine), le comportement d'évitement de l'écrevisse est aboli. Ceci montre à quel point les mécanismes neuronaux permettant d'établir ou d'inhiber le comportement anxieux sont apparus tôt dans l'évolution et se sont bien conservés au cours du temps.

Ces travaux offrent aux chercheurs qui étudient le stress  et  l'anxiété, un modèle animal unique. Dotée d'un système nerveux simple dont les neurones sont faciles à enregistrer, l'écrevisse pourrait permettre de mieux comprendre les mécanismes neuronaux en œuvre dans un contexte stressant, ainsi que le rôle de neurotransmetteurs tels que la sérotonine ou le GABA. A présent, l'équipe veut étudier l'anxiété chez l'écrevisse soumise à un stress social et analyser les changements neuronaux qui s'opèrent lorsque l'anxiété se prolonge sur plusieurs jours.

 

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