Des tropiques aux pôles, de la surface de la mer à des centaines de mètres plus bas, les océans du monde regorgent de l’un des plus petits organismes : un type de bactérie appelée Prochlorococcus, qui, malgré leur petite taille, sont collectivement responsables d’une partie importante de la production d’oxygène des océans. Mais la remarquable capacité de ces petits organismes à se diversifier et à s’adapter à des environnements aussi profondément différents est restée un mystère.
Maintenant, de nouvelles recherches révèlent que ces minuscules bactéries échangent des informations génétiques entre elles, même lorsqu’elles sont largement séparées, par un mécanisme jusque-là non documenté. Cela leur permet de transmettre des blocs entiers de gènes, tels que ceux conférant la capacité de métaboliser un type particulier de nutriment ou de se défendre contre les virus, même dans les régions où leur population dans l’eau est relativement clairsemée.
Les résultats décrivent une nouvelle classe d’agents génétiques impliqués dans le transfert horizontal de gènes, dans lesquels l’information génétique est transmise directement entre les organismes, qu’ils soient de la même espèce ou d’espèces différentes, par des moyens autres que la descendance linéaire. Les chercheurs ont surnommé les agents qui effectuent ce transfert des « tychéposons », qui sont des séquences d’ADN qui peuvent inclure plusieurs gènes entiers ainsi que des séquences environnantes, et peuvent se séparer spontanément de l’ADN environnant. Ensuite, ils peuvent être transportés vers d’autres organismes par l’un ou l’autre système de transport possible, y compris de minuscules bulles appelées vésicules que les cellules peuvent produire à partir de leurs propres membranes.
La recherche, qui comprenait l’étude de centaines de génomes de Prochlorococcus de différents écosystèmes à travers le monde, ainsi que des échantillons cultivés en laboratoire de différentes variantes, et même des processus évolutifs réalisés et observés en laboratoire, est rapportée aujourd’hui dans la revue. Celluledans un article rédigé par les anciens postdoctorants du MIT Thomas Hackl et Raphaël Laurenceau, le postdoctorant invité Markus Ankenbrand, le professeur de l’Institut Sallie « Penny » Chisholm et 16 autres personnes au MIT et dans d’autres institutions.
Chisholm, qui a joué un rôle dans la découverte de ces organismes omniprésents en 1988, déclare à propos de ces nouvelles découvertes : « Nous sommes très enthousiastes à ce sujet car il s’agit d’un nouvel agent de transfert horizontal de gènes pour les bactéries, et cela explique de nombreux schémas. que nous voyons chez Prochlorococcus à l’état sauvage, l’incroyable diversité. » Désormais considérés comme l’organisme photosynthétique le plus abondant au monde, les minuscules variantes de ce que l’on appelle les cyanobactéries sont également les plus petits de tous les photosynthétiseurs.
Hackl, qui est maintenant à l’Université de Groningen aux Pays-Bas, dit que le travail a commencé par l’étude des 623 séquences génomiques rapportées de différentes espèces de Prochlorococcus de différentes régions, en essayant de comprendre comment ils ont pu si facilement perdre ou gagner des fonctions particulières. malgré leur absence apparente de l’un des systèmes connus qui favorisent/stimulent le transfert horizontal de gènes, tels que les plasmides ou les virus connus sous le nom de prophages.
Hackl, Laurenceau et Ankenbrand ont enquêté sur des « îlots » de matériel génétique qui semblaient être des points chauds de variabilité et contenaient souvent des gènes associés à des processus de survie clés connus, tels que la capacité d’assimiler des nutriments essentiels et souvent limitants tels que le fer, ou l’azote ou les phosphates. Ces îlots contenaient des gènes qui variaient énormément d’une espèce à l’autre, mais ils se trouvaient toujours dans les mêmes parties du génome et étaient parfois presque identiques même chez des espèces très différentes – un indicateur fort de transfert horizontal.
Mais les génomes ne présentaient aucune des caractéristiques habituelles associées à ce que l’on appelle les éléments génétiques mobiles, donc cela restait initialement un casse-tête. Il est progressivement devenu évident que ce système de transfert et de diversification de gènes était différent de l’un des nombreux autres mécanismes qui ont été observés dans d’autres organismes, y compris chez l’homme.
Hackl décrit ce qu’ils ont trouvé comme étant quelque chose comme un ensemble LEGO génétique, avec des morceaux d’ADN regroupés de manière à conférer presque instantanément la capacité de s’adapter à un environnement particulier. Par exemple, une espèce limitée par la disponibilité de nutriments particuliers pourrait acquérir les gènes nécessaires pour améliorer l’absorption de ce nutriment.
Les microbes semblent utiliser une variété de mécanismes pour transporter ces tycheposons (un nom dérivé du nom de la déesse grecque Tyche, fille d’Oceanus). L’une est l’utilisation de vésicules membranaires, de petites bulles se détachant de la surface d’une cellule bactérienne et libérées avec des tycheposons à l’intérieur. Une autre consiste à « détourner » les infections virales ou phagiques et à leur permettre de transporter les tychéposons avec leurs propres particules infectieuses, appelées capsides. Ce sont des solutions efficaces, dit Hackl, « parce qu’en haute mer, ces cellules ont rarement des contacts de cellule à cellule, il leur est donc difficile d’échanger des informations génétiques sans véhicule ».
Et bien sûr, lorsque des capsides ou des vésicules prélevées en haute mer ont été étudiées, « elles sont en fait assez enrichies » en ces éléments génétiques, dit Hackl. Les paquets de codage génétique utile « nagent en fait dans ces particules extracellulaires et peuvent potentiellement être absorbés par d’autres cellules ».
Chisholm dit que « dans le monde de la génomique, il existe de nombreux types différents de ces éléments » – des séquences d’ADN capables d’être transférées d’un génome à un autre. Cependant, « c’est un nouveau type », dit-elle. Hackl ajoute que « c’est une famille distincte d’éléments génétiques mobiles. Il a des similitudes avec les autres, mais aucun lien vraiment étroit avec l’un d’eux ».
Alors que cette étude était spécifique à Prochlorococcus, Hackl dit que l’équipe pense que le phénomène peut être plus généralisé. Ils ont déjà trouvé des éléments génétiques similaires dans d’autres bactéries marines non apparentées, mais n’ont pas encore analysé ces échantillons en détail. « Des éléments analogues ont été décrits dans d’autres bactéries, et nous pensons maintenant qu’ils peuvent fonctionner de manière similaire », dit-il.
« C’est une sorte de mécanisme plug-and-play, où vous pouvez avoir des pièces avec lesquelles vous pouvez jouer et faire toutes ces combinaisons différentes », dit-il. « Et avec l’énorme taille de la population de Prochlorococcus, il peut jouer beaucoup et essayer beaucoup de combinaisons différentes. »
Nathan Ahlgren, professeur adjoint de biologie à l’Université Clark qui n’était pas associé à cette recherche, déclare : « La découverte des tychéposons est importante et passionnante car elle fournit une nouvelle compréhension mécaniste de la façon dont les Prochlorococcus sont capables d’échanger de nouveaux gènes. et donc des traits écologiquement importants. Les tycheposons fournissent une nouvelle explication mécaniste de la façon dont cela est fait. Il dit, « ils ont pris une manière créative de pêcher et de caractériser ces nouveaux éléments génétiques » cachés « dans les génomes de Prochlorococcus. »
Il ajoute que les îles génomiques, les parties du génome où ces tychéposons ont été trouvés, « se trouvent dans de nombreuses bactéries, pas seulement dans les bactéries marines, de sorte que les travaux futurs sur les tychéposons ont des implications plus larges pour notre compréhension de l’évolution des génomes bactériens ».
L’équipe comprenait des chercheurs du Département de génie civil et environnemental du MIT, de l’Université de Würzburg en Allemagne, de l’Université d’Hawaï à Manoa, de l’Ohio State University, d’Oxford Nanopore Technologies en Californie, du Bigelow Laboratory for Ocean Sciences dans le Maine et du Wellesley College.
Plus d’information:
Thomas Hackl et al, Nouveaux éléments intégratifs et plasticité génomique dans les écosystèmes océaniques, Cellule (2023). DOI : 10.1016/j.cell.2022.12.006