À première vue, les eaux légèrement troubles dans le tube ressemblent à une boule d’eaux pluviales, avec des feuilles, des débris et des fils encore plus légers dans le mélange. Mais dans la boîte de Pétri, les minces fils ressemblant à des vermicelles flottant délicatement au-dessus des débris de feuilles se révèlent être des cellules bactériennes uniques, visibles à l’œil nu.
La taille inhabituelle est remarquable car les bactéries ne sont généralement pas visibles sans l’aide d’un microscope. « C’est 5 000 fois plus gros que la plupart des bactéries. Pour le mettre en contexte, ce serait comme si un humain rencontrait un autre humain aussi grand que le mont Everest », a déclaré Jean-Marie Volland, un scientifique avec des nominations conjointes au Département américain de l’énergie (DOE ) Joint Genome Institute (JGI), une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE située au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et au Laboratoire de recherche sur les systèmes complexes (LRC) à Menlo Park, en Californie. Dans le numéro du 24 juin 2022 de la revue La science, Volland et ses collègues, y compris des chercheurs du JGI et du Berkeley Lab, LRC, et de l’Université des Antilles en Guadeloupe, ont décrit les caractéristiques morphologiques et génomiques de cette bactérie filamenteuse géante, ainsi que son cycle de vie.
Pour la plupart des bactéries, leur ADN flotte librement dans le cytoplasme de leurs cellules. Cette espèce de bactérie nouvellement découverte garde son ADN plus organisé. « La grande surprise du projet a été de réaliser que ces copies du génome qui se propagent dans toute la cellule sont en fait contenues dans une structure qui a une membrane », a déclaré Volland. « Et c’est très inattendu pour une bactérie. »
Rencontres insolites dans la mangrove
La bactérie elle-même a été découverte par Olivier Gros, professeur de biologie marine à l’Université des Antilles en Guadeloupe, en 2009. Les recherches de Gros se concentrent sur les systèmes de mangroves marines, et il recherchait des symbiotes oxydant le soufre dans les sédiments de mangroves riches en soufre non loin. de son laboratoire lorsqu’il a rencontré la bactérie pour la première fois. « Quand je les ai vus, j’ai pensé: » Étrange « », a-t-il déclaré. « Au début, je pensais que c’était juste quelque chose de curieux, des filaments blancs qui devaient être attachés à quelque chose dans le sédiment comme une feuille. » Le laboratoire a mené des études de microscopie au cours des deux années suivantes et s’est rendu compte qu’il s’agissait d’un procaryote oxydant le soufre.
Silvina Gonzalez-Rizzo, professeure agrégée de biologie moléculaire à l’Université des Antilles et co-première auteure de l’étude, a réalisé le séquençage du gène de l’ARNr 16S pour identifier et classer le procaryote. « Je pensais que c’étaient des eucaryotes, je ne pensais pas que c’étaient des bactéries parce qu’elles étaient si grosses avec apparemment beaucoup de filaments », se souvient-elle de sa première impression. « Nous avons réalisé qu’ils étaient uniques parce qu’ils ressemblaient à une seule cellule. Le fait qu’ils soient un « macro » microbe était fascinant ! »
« Elle a compris qu’il s’agissait d’une bactérie appartenant au genre Thiomargarita« , a noté Gros. « Elle l’a nommé Californie. Thiomargarita magnifica. »
« Magnifica parce que magnus en latin ça veut dire grand et je pense que c’est magnifique comme le mot français magnifique« , a expliqué Gonzalez-Rizzo. « Ce type de découverte ouvre de nouvelles questions sur les morphotypes bactériens qui n’ont jamais été étudiés auparavant. »
Caractériser la bactérie géante
Volland s’est engagé avec le géant Thiomargarita bactérie lorsqu’il est revenu au laboratoire Gros en tant que stagiaire postdoctoral. Lorsqu’il a postulé au poste basé sur la découverte au LRC qui le verrait travailler au JGI, Gros lui a permis de poursuivre ses recherches sur le projet.
Au JGI, Volland a commencé à étudier Californie. T. magnifica dans le Single Cells Group de Tanja Woyke pour mieux comprendre ce que faisait cette bactérie fixatrice de carbone et oxydant le soufre dans les mangroves. « Les mangroves et leurs microbiomes sont des écosystèmes importants pour le cycle du carbone. Si vous regardez l’espace qu’ils occupent à l’échelle mondiale, c’est moins de 1 % de la zone côtière mondiale. Mais quand vous regardez ensuite le stockage du carbone, vous trouverez qu’ils contribuent de 10 à 15 % au carbone stocké dans les sédiments côtiers », a déclaré Woyke, qui dirige également le programme microbien du JGI et est l’un des principaux auteurs de l’article. L’équipe a également été obligée d’étudier ces grandes bactéries à la lumière de leurs interactions potentielles avec d’autres micro-organismes. « Nous avons lancé ce projet dans le cadre de l’orientation stratégique du JGI des interactions inter-organismes, car il a été démontré que les grandes bactéries soufrées sont des points chauds pour les symbiotes », a déclaré Woyke. « Pourtant, le projet nous a emmenés dans une direction très différente », a-t-elle ajouté.
Volland a relevé le défi de visualiser ces cellules géantes en trois dimensions et à un grossissement relativement élevé. En utilisant diverses techniques de microscopie, telles que la tomographie à rayons X durs, par exemple, il a visualisé des filaments entiers jusqu’à 9,66 mm de long et a confirmé qu’il s’agissait bien de cellules uniques géantes plutôt que de filaments multicellulaires, comme cela est courant chez d’autres grandes bactéries soufrées. Il a également pu utiliser les installations d’imagerie disponibles au Berkeley Lab, telles que la microscopie confocale à balayage laser et la microscopie électronique à transmission (TEM) pour visualiser les filaments et les membranes cellulaires plus en détail. Ces techniques lui ont permis d’observer de nouveaux compartiments liés à la membrane qui contiennent des grappes d’ADN. Il a surnommé ces organites « pépins », d’après les petites graines des fruits. Les grappes d’ADN étaient abondantes dans les cellules individuelles.
L’équipe a découvert la complexité génomique de la cellule. Comme l’a noté Volland, « les bactéries contiennent trois fois plus de gènes que la plupart des bactéries et des centaines de milliers de copies du génome (polyploïdie) qui se propagent dans toute la cellule. » L’équipe JGI a ensuite utilisé la génomique unicellulaire pour analyser cinq des cellules bactériennes au niveau moléculaire. Ils ont amplifié, séquencé et assemblé les génomes. En parallèle, le laboratoire de Gros a également utilisé une technique de marquage connue sous le nom de BONCAT pour identifier les zones impliquées dans les activités de fabrication de protéines, ce qui a confirmé que toutes les cellules bactériennes étaient actives.
« Ce projet a été une belle opportunité de démontrer comment la complexité a évolué dans certains des organismes les plus simples », a déclaré Shailesh Date, fondateur et PDG de LRC, et l’un des principaux auteurs de l’article. « L’une des choses que nous avons soutenues est qu’il est nécessaire d’examiner et d’étudier la complexité biologique de manière beaucoup plus détaillée que ce qui se fait actuellement. Ainsi, les organismes que nous pensons être très, très simples pourraient avoir des surprises. »
Le LRC a financé Volland grâce à des subventions de la Fondation John Templeton et de la Fondation Gordon et Betty Moore. « Cette découverte révolutionnaire souligne l’importance de soutenir des projets de recherche fondamentaux et créatifs pour faire progresser notre compréhension du monde naturel », a ajouté Sara Bender de la Fondation Gordon et Betty Moore. « Nous sommes impatients d’apprendre comment la caractérisation de Californie. Thiomargarita magnifica remet en question le paradigme actuel de ce qui constitue une cellule bactérienne et fait progresser la recherche microbienne. »
Une bactérie géante, plusieurs questions de recherche
Pour l’équipe, caractérisant Californie. Thiomargarita magnifica a ouvert la voie à plusieurs nouvelles questions de recherche. Parmi eux, figure le rôle de la bactérie dans l’écosystème de la mangrove. « Nous savons qu’il pousse et prospère au-dessus des sédiments de l’écosystème de mangrove dans les Caraïbes », a déclaré Volland. « En termes de métabolisme, il fait de la chimiosynthèse, qui est un processus analogue à la photosynthèse pour les plantes. » Une autre question en suspens est de savoir si les nouveaux organites nommés pépins ont joué un rôle dans l’évolution de la taille extrême de Thiomargarita magnifica, et si oui ou non les pépins sont présents dans d’autres espèces bactériennes. La formation précise des pépines et la façon dont les processus moléculaires à l’intérieur et à l’extérieur de ces structures se produisent et sont régulés restent également à étudier.
Gonzalez-Rizzo et Woyke considèrent tous deux la culture réussie de la bactérie en laboratoire comme un moyen d’obtenir certaines des réponses. « Si nous pouvons maintenir ces bactéries dans un environnement de laboratoire, nous pouvons utiliser des techniques qui ne sont pas réalisables en ce moment », a déclaré Woyke. Gros veut examiner d’autres grosses bactéries. « Vous pouvez trouver des images TEM et voir à quoi ressemblent les pépins, alors peut-être que les gens les ont vus mais n’ont pas compris ce qu’ils étaient. Ce sera très intéressant à vérifier, si les pépins sont déjà présents partout. »
Des chercheurs du Muséum national d’histoire naturelle (France), de l’Université de la Sorbonne (France) et de l’Université de Cornell ont également été impliqués dans ce travail.
Jean-Marie Volland et al, Une bactérie d’un centimètre de long avec de l’ADN contenu dans des organites liées à la membrane métaboliquement actives, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abb3634. www.science.org/doi/10.1126/science.abb3634