Du point de vue d’un ingénieur, la biologie est souvent désordonnée et imparfaite. Par exemple, la redondance est une caractéristique commune des systèmes biologiques, le travail d’un composant biologique chevauchant celui d’un autre.
Une étude récemment publiée dans la revue eVieétudie si certains types de redondance biologique peuvent, malgré l’inefficacité apparente, être réellement bénéfiques.
Traduction : Un processus biologique avec un haut degré de redondance
La traduction est un processus énergétiquement coûteux par lequel les cellules convertissent l’information génétique en protéines. Le processus de décodage est effectué par les ribosomes et les ARN de transfert (ARNt). Ces molécules biologiques importantes sont elles-mêmes codées dans l’information génétique de la cellule, souvent par plusieurs (et parfois des centaines) de copies identiques de gènes.
Par exemple, la souche bactérienne de laboratoire couramment utilisée Escherichia coli K-12 MG1655 contient sept copies des gènes d’ARN ribosomal (ARNr) et jusqu’à six copies de chaque gène d’ARNt. Cette redondance apparente est, au premier abord, inattendue ; pourquoi payer le coût du maintien de nombreuses copies de gènes identiques ?
Une hypothèse est que plus de copies de gènes peuvent permettre une production plus importante ou plus rapide de ribosomes et d’ARNt, conduisant à une croissance et une division plus rapides dans des conditions favorables. Pour tester cette hypothèse, le groupe de Deepa Agashe au National Center for Biological Sciences (Inde) s’est associé au groupe Microbial Evolutionary Dynamics du Max Planck Institute for Evolutionary Biology (dirigé par Jenna Gallie).
Les niveaux de redondance traductionnelle dans E. coli peuvent être manipulés en laboratoire
Diverses copies redondantes de gènes d’ARNr et/ou d’ARNt ont été retirées du génome d’E. coli K-12 MG1655. Le résultat était un panel de souches dérivées, chacune avec un degré de redondance traductionnelle inférieur à celui de la souche d’origine. Des tests biologiques ont été utilisés pour démontrer que les événements de délétion du gène entraînent soit une réduction de l’expression de l’ARNt mature (via YAMAT-seq) et/ou le ralentissement de la traduction (via des tests de rapporteur β-galactosidase).
Ces résultats montrent que (i) la redondance génétique des composants traductionnels d’E. coli peut être diminuée, et (ii) les réductions génétiques se reflètent dans la machinerie traductionnelle mature.
Plus de copies de gènes sont bénéfiques en cas de demande de traduction accrue
Les profils de croissance de toutes les souches ont été mesurés dans différents environnements, dans lesquels la disponibilité des nutriments variait de pauvre à riche. D’une manière générale, les souches à faible redondance ont poussé plus rapidement que la souche d’origine lorsque les nutriments étaient rares, mais plus lentement que la souche d’origine lorsque les nutriments étaient librement disponibles. Ces résultats sont cohérents avec l’hypothèse initiale : la redondance génétique a un coût lorsque la traduction est lente, et ce coût est atténué dans des conditions qui favorisent une traduction et une croissance plus rapides.
Cette étude a démontré que le port de plusieurs copies de gènes ARNr/ARNt peut être bénéfique dans des conditions qui favorisent une traduction et une croissance de plus en plus rapides. Plus largement, les résultats mettent en évidence que la redondance (apparente) peut jouer un rôle bénéfique dans les systèmes biologiques complexes, en particulier dans des conditions environnementales changeantes.
Plus d’information:
Parth K Raval et al, Les coûts et avantages en couches de la redondance translationnelle, eVie (2023). DOI : 10.7554/eLife.81005