Les bactéries représentent plus de 10 % de tous les êtres vivants, mais jusqu’à récemment, nous ne nous rendions pas compte que, comme chez les humains, les bactéries du sol ont des horloges internes qui synchronisent leurs activités avec les cycles de 24 heures du jour et de la nuit sur Terre.
De nouvelles recherches montrent à quel point ces horloges circadiennes bactériennes sont complexes et sophistiquées, ouvrant la voie à une nouvelle phase d’étude passionnante. Ce travail offrira diverses opportunités, de la synchronisation précise de l’utilisation d’antibiotiques à la bio-ingénierie de microbiomes intestinaux et du sol plus intelligents. « L’horloge circadienne de la bactérie B. subtilis évoque les propriétés de systèmes circadiens complexes et multicellulaires », apparaît dans Avancées scientifiques.
Une collaboration internationale de l’Université Ludwig Maximillian de Munich (LMU Munich), du John Innes Center, de l’Université technique du Danemark et de l’Université de Leiden, a fait cette découverte en sondant l’expression génique comme preuve de l’activité de l’horloge dans la bactérie répandue du sol Bacillus subtilis.
L’auteur principal, le Dr Francesca Sartor (LMU Munich), déclare : « L’horloge circadienne de ce microbe est omniprésente : nous le voyons réguler plusieurs gènes et une gamme de comportements différents.
Le professeur Antony Dodd du John Innes Center a ajouté : « Il est étonnant qu’un organisme unicellulaire avec un si petit génome ait une horloge circadienne avec certaines propriétés qui évoquent des horloges dans des organismes plus complexes. »
Des travaux antérieurs de cette équipe collaborative avaient démontré l’existence d’une horloge circadienne dans une souche dérivée de laboratoire de cette bactérie. C’était la première fois que des horloges circadiennes étaient observées chez la bactérie Bacillus subtilis. Les chercheurs ont utilisé une technique qui insère une enzyme appelée luciférase qui produit de la lumière lorsqu’un gène est exprimé. Cette bioluminescence a guidé l’équipe dans la surveillance de l’horloge bactérienne à mesure que les conditions variaient.
L’auteur supérieur de la publication, professeur Martha Merrow à LMU Munich a dit, « cette étude montre que les horloges circadiennes sont largement trouvées dans Bacillus subtilis. Nous pourrions capitaliser sur la connaissance de l’horloge pour améliorer des résultats de santé et pour augmenter la durabilité de la production alimentaire ou de la biotechnologie. »
Cette nouvelle étude est une avancée significative pour plusieurs raisons. Elle révèle que ces horloges existent dans des souches prélevées dans des milieux naturels, donc pourraient être largement répandues chez cette bactérie. De plus, B. subtilis continue de montrer des rythmes circadiens à la fois dans l’obscurité constante et dans la lumière constante, et les chercheurs révèlent des exemples de réponses nuancées trouvées dans les horloges circadiennes de nombreux autres organismes.
Dans le domaine de la biologie circadienne, ces réponses sont connues sous le nom de « séquelles » et de « règle d’Aschoff ». Pris ensemble, cela suggère que, comme dans des organismes plus complexes, les bactéries peuvent synchroniser leur physiologie et leur métabolisme à différents moments de la journée à mesure que les conditions de lumière et de température changent.
La découverte offre des opportunités pour la biotechnologie, la santé humaine et la phytologie. Comprendre les propriétés des horloges circadiennes bactériennes peut nous aider avec les applications industrielles de la microbiologie ; cela pourrait conduire à une nouvelle compréhension de la formation des microbiomes et pourrait indiquer dans quelle mesure les antibiotiques fonctionnent à certains moments de la journée pour perturber les bactéries pathogènes. Les connaissances peuvent également nous aider dans la protection des cultures. Bacillus subtilis est une bactérie bénéfique du sol utilisée par les agriculteurs pour favoriser l’échange de nutriments, le développement des plantes et la défense contre les microbes pathogènes.
L’équipe développe Bacillus subtilis comme organisme modèle pour l’étude des horloges circadiennes chez les bactéries. L’une des prochaines étapes consiste à déterminer quels gènes fonctionnent pour constituer le mécanisme de l’horloge. L’équipe est également curieuse de savoir comment l’horloge circadienne de B. subtilis dépend de l’organisation multicellulaire pour sa pleine fonctionnalité.
Les horloges circadiennes sont des oscillateurs internes qui offrent un avantage sélectif aux organismes en adaptant leur physiologie et leur métabolisme aux changements de l’environnement sur 24 h, tels que les changements de lumière, de température ou de comportement des prédateurs. Ils donnent lieu aux effets discordants du décalage horaire, lorsque nous passons dans des fuseaux horaires différents.
Le professeur Ákos T. Kovács, de l’Université de Leiden et de l’Université technique du Danemark, a déclaré : « Le biologiste français Jacques Monod a dit un jour : « Ce qui est vrai pour E. coli est vrai pour l’éléphant. » À l’époque, il faisait référence au règles universelles de la biologie moléculaire de l’ADN et des protéines. » De même, il est étonnant que l’horloge circadienne de Bacillus subtilis – une bactérie avec seulement quatre mille gènes – ait un système circadien complexe qui rappelle les horloges circadiennes d’organismes complexes tels que les mouches, les mammifères et les plantes. »
Plus d’information:
Francesca Sartor et al, L’horloge circadienne de la bactérie B. subtilis évoque les propriétés de systèmes circadiens complexes et multicellulaires, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adh1308. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh1308