Si vous vous souvenez encore de « Cher roi Phillip est venu pour de bons spaghettis », vous vous souviendrez probablement également des rangs taxonomiques correspondants de la biologie : domaine, royaume, phylum, classe, ordre, famille, genre et espèce. Les domaines comprennent les procaryotes, les organismes unicellulaires tels que les bactéries et les archées, et les eucaryotes, qui comprennent les champignons, les plantes et les animaux.
Les eucaryotes subissent une évolution lorsque des mutations sont transmises du parent à la progéniture, ce que l’on appelle le transfert vertical de gènes. Pour les procaryotes, l’évolution peut avoir lieu par transfert horizontal de gènes (HGT en abrégé), où l’information génétique est directement partagée entre les bactéries. Ce processus permet à des organismes individuels, et même à des espèces entières, d’acquérir rapidement de nouveaux gènes, y compris des gènes potentiellement dangereux comme ceux qui confèrent une résistance aux antibiotiques.
À l’Université du Delaware, dans le laboratoire d’Eleftherios « Terry » Papoutsakis, professeur titulaire de la chaire Unidel Eugene du Pont au Département de génie chimique et biomoléculaire du College of Engineering, au Département des sciences biologiques et au Delaware Biotechnology Institute, des chercheurs ont récemment découvert un nouveau mécanisme par lequel l’HGT peut se produire chez les bactéries.
Les résultats de cette étude, dirigée par l’ancien doctorant Kamil Charubin et le doctorant John Hill, élargissent la compréhension actuelle des stratégies d’évolution et de survie des microbiomes complexes, avec des implications pour des domaines allant de l’écologie à la biotechnologie et à la médecine. L’étude a été publiée dans mBio.
La recherche pour le dernier article du groupe a commencé après que Charubin a observé que deux espèces de bactéries (Clostridium acetobutylicum et C. ljungdahlii) échangeaient des nutriments, des métabolites et du matériel cellulaire à des taux élevés lorsqu’elles étaient à proximité l’une de l’autre. Ils ont découvert que les cellules utilisaient un mécanisme appelé fusion cellulaire hétérologue pour transférer des matériaux et voulaient voir si les bactéries pouvaient également transférer des informations génétiques via ce mécanisme.
« Il ne s’agissait pas seulement de quelques protéines, mais englobait en fait la plupart des matériaux du cytoplasme », a déclaré Hill. « Ces résultats nous ont incités à déterminer si le matériel génétique, y compris les plasmides, pouvait également être échangé. »
Pour voir si le transfert de gènes se produisait également lorsque les cellules bactériennes étaient en contact étroit, Hill a adapté les techniques de laboratoire du groupe afin qu’ils puissent suivre le mouvement du génome et des plasmides de la bactérie (morceaux circulaires d’ADN utilisés par les bactéries distinctes de leur génome). . Les chercheurs ont également utilisé des techniques de sous-culture sélectives, isolant les cellules de C. acetobutylicum après qu’elles aient récupéré des plasmides de C. ljungdahlii, puis ont confirmé le transfert de gène à l’aide des données de séquençage PacBio Single-Molecule Real Time (SMRT).
Les résultats de cette recherche montrent que les deux espèces de Clostridium peuvent en effet partager des informations génétiques via une fusion cellulaire hétérologue, un mécanisme pour l’HGT « qui n’a jamais été envisagé ou observé auparavant », a déclaré Papoutsakis. « Grâce à la fusion cellulaire hétérologue, nous avons constaté qu’il y avait un échange d’ADN entre les microbes et que les cellules hybrides résultantes contenaient de grandes quantités d’ADN génomique des deux organismes. »
Les chercheurs ont déclaré que le dernier article du groupe fournit de nouvelles informations sur les processus et les moteurs de l’évolution bactérienne.
« Nous savons que la vie microbienne a évolué dans des communautés naturelles, et s’il existe un grand nombre d’interactions interspécifiques, y compris l’échange de gènes, cela révélerait un autre aspect de l’évolution microbienne », a déclaré Hill. « Ces résultats pourraient impliquer que les microbes n’évoluent pas indépendamment les uns des autres, mais plutôt qu’il existe une multiplicité de trajectoires évolutives au sein des environnements locaux qui sont motivées par diverses pressions externes, notamment le HGT. »
Papoutsakis a ajouté que cette étude pourrait également avoir des implications dans d’autres domaines, en particulier s’il s’agit d’une autre façon par laquelle les bactéries peuvent se conférer des caractéristiques telles que la résistance aux antibiotiques.
« Il y a beaucoup plus de complexité et d’interactions entre les microbes dans les microbiomes naturels, comme ceux de l’environnement ou de l’intestin humain, par exemple », a déclaré Papoutsakis. « Ce type de mécanisme pour le HGT peut réellement avoir d’importantes implications physiologiques et médicales. »
Plus d’information:
Kamil Charubin et al, Transfert d’ADN entre deux espèces différentes médié par fusion cellulaire hétérologue dans une coculture de Clostridium, mBio (2024). DOI : 10.1128/mbio.03133-23