Nous vivons dans un monde bactérien, et cela nous affecte plus qu’on ne le pensait auparavant

15 février 2013

(Phys.org)-Tout au long de sa carrière, la célèbre biologiste Lynn Margulis (1938-2011) a soutenu que le monde des micro-organismes a un impact bien plus important sur l’ensemble de la biosphère – le monde de tous les êtres vivants – que ce que les scientifiques reconnaissent habituellement. Aujourd’hui, une équipe de scientifiques d’universités du monde entier a rassemblé et compilé les résultats de centaines d’études, réalisées pour la plupart au cours de la dernière décennie, sur les interactions entre animaux et bactéries, et a montré que Margulis avait raison. Les résultats combinés suggèrent que les preuves soutenant le point de vue de Margulis ont atteint un point de basculement, exigeant que les scientifiques réexaminent certaines des caractéristiques fondamentales de la vie à travers la lentille des relations complexes et codépendantes entre les bactéries et d’autres formes de vie très différentes.

Le projet d’examiner les recherches actuelles sur les interactions animal-bactérien a commencé lorsque certains scientifiques ont reconnu l’importance des bactéries dans leurs propres domaines d’étude. Pour Michael Hadfield, professeur de biologie à l’université d’Hawaï à Manoa, cette reconnaissance s’est développée au cours de nombreuses années en étudiant la métamorphose des animaux marins. Il a découvert que certaines bactéries influencent les larves marines à se fixer à des endroits particuliers du fond de la mer, où elles se transforment en juvéniles et vivent le reste de leur vie.

« Une fois que nous avons déterminé que des bactéries spécifiques du biofilm fournissent un ligand essentiel et unique pour stimuler les larves d’un ver marin réparti dans le monde entier, nos recherches ont naturellement progressé vers une étude de la partie du génome bactérien responsable de la signalisation, et vers d’autres espèces, où nous avons trouvé les mêmes gènes impliqués », a déclaré Hadfield à Phys.org. « Venant de différents points de vue sur l’étude des interactions entre animaux et bactéries, et en reconnaissant beaucoup d’autres, Margaret McFall-Ngai et moi-même avons longuement discuté de la situation actuelle et avons ensuite décidé de tenter de réunir un nombre important d’experts sur les différentes approches de l’étude des interactions entre bactéries et animaux pour rédiger un article tel que celui que vous avez en main. Nous avons proposé une « réunion de catalyse » sur le sujet au National Evolutionary Synthesis Center (NESCent) de la National Science Foundation, qui a été financé, et le projet a pris son envol. »

Les bactéries nous entourent

À bien des égards, il est facile de constater le rôle prépondérant que jouent les bactéries dans le monde. Les bactéries ont été l’une des premières formes de vie à apparaître sur Terre, il y a environ 3,8 milliards d’années, et elles survivront très probablement longtemps après la disparition des humains. Dans l’actuel arbre de la vie, elles occupent l’une des trois branches principales (les deux autres sont Archaea et Eucarya, les animaux appartenant à la dernière). Bien que les bactéries soient extrêmement diverses et qu’elles vivent presque partout sur Terre, du fond de l’océan à l’intérieur de nos intestins, elles ont quelques points communs. Leur taille est similaire (quelques micromètres), elles sont généralement constituées d’une seule ou de quelques cellules, et leurs cellules n’ont pas de noyau.

Bien que les scientifiques sachent depuis de nombreuses années que les animaux servent d’hôte aux bactéries, qui vivent notamment dans l’intestin/les intestins, dans la bouche et sur la peau, des recherches récentes ont permis de découvrir à quel point ces microbes sont nombreux. Des études ont montré que les humains ont environ 10 fois plus de cellules bactériennes dans leur corps que de cellules humaines. (Cependant, le total des bactéries pèse moins d’une demi-livre car les cellules bactériennes sont beaucoup plus petites que les cellules humaines).

Alors que certaines de ces bactéries vivent simplement côte à côte avec les animaux, n’interagissant pas beaucoup, certaines d’entre elles interagissent beaucoup. Nous associons souvent les bactéries aux « germes » ou aux agents pathogènes qui provoquent des maladies, et les bactéries sont responsables de nombreuses maladies, comme la tuberculose, la peste bubonique et les infections au SARM. Mais les bactéries font aussi beaucoup de bonnes choses, et les recherches récentes soulignent le fait que la vie animale ne serait pas la même sans elles.

« Le nombre réel d’espèces bactériennes dans le monde est stupéfiant, y compris les bactéries que l’on trouve maintenant autour de la Terre dans les couches les plus supérieures de notre atmosphère et dans les roches situées profondément sous le plancher océanique », a déclaré Hadfield. « Ajoutez ensuite toutes celles qui proviennent de tous les environnements possibles et imaginables, des fosses septiques aux sources chaudes, et partout sur et dans pratiquement tous les organismes vivants. Par conséquent, la proportion de toutes les espèces bactériennes qui sont pathogènes pour les plantes et les animaux est sûrement faible. Je soupçonne que la proportion qui est bénéfique/nécessaire aux plantes et aux animaux est également faible par rapport au nombre total de bactéries présentes dans l’univers, et que la plupart des bactéries, dans cette perspective, sont « neutres ». Cependant, je suis également convaincu que le nombre de microbes bénéfiques, et même de microbes très nécessaires, est beaucoup, beaucoup plus important que le nombre de pathogènes. »

Les origines des animaux et la coévolution

Dès nos humbles débuts, les bactéries peuvent avoir joué un rôle important en aidant aux origines des organismes multicellulaires (il y a environ 1 à 2 milliards d’années) et aux origines des animaux (il y a environ 700 millions d’années). Les chercheurs ont récemment découvert que l’un des plus proches parents vivants des animaux multicellulaires, un choanoflagellé unicellulaire, répond aux signaux émis par l’une de ses proies, une bactérie. Ces signaux font que les cellules de choanoflagellés qui se divisent conservent leurs connexions, ce qui conduit à la formation de colonies bien coordonnées qui pourraient être devenues des organismes multicellulaires. Cependant, ces questions d’origine ont fait l’objet d’intenses débats et les scientifiques ont formulé de nombreuses hypothèses sur la façon dont ces formes de vie sont apparues. Un rôle bactérien dans ces processus n’exclut pas d’autres perspectives, mais ajoute une considération supplémentaire.

Après avoir contribué au démarrage des animaux, les bactéries ont également joué un rôle important en les aidant tout au long de leur parcours évolutif. Alors que l’on pense traditionnellement que le développement animal est dirigé principalement par le génome propre de l’animal en réponse à des facteurs environnementaux, des recherches récentes ont montré que le développement animal peut être mieux considéré comme une orchestration entre l’animal, l’environnement et la coévolution de nombreuses espèces microbiennes. Un exemple de cette coévolution a pu se produire lorsque les mammifères ont développé l’endothermie, ou la capacité de maintenir une température constante d’environ 40 °C (100 °F) par des moyens métaboliques. C’est également à cette température que les partenaires bactériens des mammifères travaillent de manière optimale, fournissant de l’énergie aux mammifères et réduisant leurs besoins alimentaires. Cette découverte suggère que la température préférée des bactéries pourrait avoir exercé une pression de sélection sur l’évolution des gènes associés à l’endothermie.

Signal bactérien

Les preuves d’une alliance profondément ancrée entre les animaux et les bactéries apparaissent également dans les génomes des deux groupes. Les chercheurs estiment qu’environ 37 % des 23 000 gènes humains ont des homologues avec les bactéries et les archées, c’est-à-dire qu’ils sont apparentés à des gènes présents chez les bactéries et les archées qui sont issus d’un ancêtre commun.

Plusieurs de ces gènes homologues permettent la signalisation entre les animaux et les bactéries, ce qui suggère qu’ils ont pu communiquer et influencer le développement de l’autre. Un exemple est la découverte par Hadfield et son groupe que la signalisation bactérienne joue un rôle essentiel dans l’induction de la métamorphose chez certaines larves d’invertébrés marins, où les bactéries produisent des signaux associés à des facteurs environnementaux particuliers. D’autres études ont montré que la signalisation bactérienne influence le développement normal du cerveau chez les mammifères, affecte le comportement reproductif chez les vertébrés et les invertébrés, et active le système immunitaire chez la mouche tsé-tsé. Les substances chimiques olfactives qui attirent certains animaux (y compris les humains) vers leurs partenaires potentiels sont également produites par les bactéries résidentes des animaux.

La signalisation bactérienne n’est pas seulement essentielle au développement, elle aide également les animaux à maintenir l’homéostasie, ce qui nous maintient en bonne santé et heureux. Comme l’ont montré les recherches, les bactéries de l’intestin peuvent communiquer avec le cerveau par le biais du système nerveux central. Des études ont montré que les souris dépourvues de certaines bactéries présentent des anomalies dans les régions du cerveau qui contrôlent l’anxiété et les comportements de type dépressif. La signalisation bactérienne joue également un rôle essentiel dans la protection du système immunitaire d’un animal. La perturbation de ces voies de signalisation bactérienne peut entraîner des maladies telles que le diabète, les maladies inflammatoires de l’intestin et les infections. Des études suggèrent également que bon nombre des agents pathogènes qui provoquent des maladies chez les animaux ont « détourné » ces voies de communication bactériennes qui, à l’origine, ont évolué pour maintenir un équilibre entre l’animal et des centaines d’espèces bactériennes bénéfiques.

La signalisation apparaît également dans l’arène plus large des écosystèmes. Par exemple, les bactéries présentes dans le nectar des fleurs peuvent en modifier les propriétés chimiques, influençant ainsi la façon dont les pollinisateurs interagissent avec les plantes. Les bébés humains nés par voie vaginale ont des bactéries intestinales différentes de ceux nés par césarienne, ce qui peut avoir des effets durables. Et les bactéries qui se nourrissent d’animaux morts peuvent repousser les charognards animaux – des organismes 10 000 fois plus gros qu’elles – en produisant des odeurs nocives qui signalent aux charognards de rester à l’écart.

Dans l’intestin

Chez les premiers animaux, les bactéries intestinales ont joué un rôle important dans la nutrition en aidant les animaux à digérer leur nourriture, et peuvent avoir influencé le développement d’autres systèmes organiques proches, comme les systèmes respiratoire et urogénital. De même, l’évolution des animaux a probablement entraîné l’évolution des bactéries, parfois dans des niches hautement spécialisées. Par exemple, 90 % des espèces bactériennes présentes dans les viscères des termites ne se trouvent nulle part ailleurs. Une telle spécialisation signifie également que l’extinction de chaque espèce animale entraîne l’extinction d’un nombre inconnu de lignées bactériennes qui ont évolué en même temps qu’elle.

Les scientifiques ont également découvert que les bactéries de l’intestin humain s’adaptent aux changements de régime alimentaire. Par exemple, la plupart des Américains ont un microbiome intestinal optimisé pour la digestion d’un régime riche en graisses et en protéines, tandis que les habitants de la région rurale d’Amazonas, au Venezuela, ont des microbes intestinaux mieux adaptés à la décomposition des glucides complexes. Certaines personnes au Japon possèdent même une bactérie intestinale capable de digérer les algues. Les chercheurs pensent que le microbiome intestinal s’adapte de deux manières : en ajoutant ou en supprimant certaines espèces de bactéries, et en transférant les gènes souhaités d’une bactérie à l’autre par transfert horizontal de gènes. L’hôte et la bactérie bénéficient tous deux de ce type de relation symbiotique, dont les chercheurs pensent qu’elle est beaucoup plus répandue qu’on ne le pensait auparavant.

La vue d’ensemble

Dans l’ensemble, les études récentes ont montré que les animaux et les bactéries ont des histoires profondément imbriquées, et qu’ils dépendent les uns des autres pour leur santé et leur bien-être, ainsi que pour ceux de leurs environnements. Bien que les chercheurs se soient concentrés exclusivement sur les interactions entre animaux et bactéries, ils pensent que des tendances similaires de codépendance et de symbiose sont universelles parmi et entre d’autres groupes, tels que les archées, les champignons, les plantes et les animaux. Autrefois considérée comme une exception, cette imbrication est aujourd’hui reconnue comme la règle, comme Margulis l’avait prédit il y a plusieurs décennies. En raison de ces relations symbiotiques, les scientifiques proposent ici que les définitions mêmes d’un organisme, d’un environnement, d’une population et d’un génome soient devenues floues et doivent être revues. Il se pourrait, par exemple, que les animaux soient mieux considérés comme des écosystèmes hôtes-microbes que comme des individus.

En outre, les scientifiques prévoient que les récentes découvertes sur les interactions animaux-bactéries obligeront probablement les biologistes à modifier considérablement leur vision de la nature fondamentale de l’ensemble de la biosphère. Dans cette optique, des projets de recherche à grande échelle, tels que le projet du microbiome humain et le projet du microbiome de la Terre, sont déjà en cours pour étudier le large éventail de bactéries dans les systèmes individuels et mondiaux, et pour voir ce qui se passe lorsque les bactéries sont perturbées.

Au final, les scientifiques espèrent que ces résultats favoriseront une collaboration plus transversale entre les scientifiques et les ingénieurs de différents domaines pour explorer la nouvelle frontière microbienne. Ils soutiennent que ces découvertes devraient révolutionner la façon dont la biologie est enseignée à partir du lycée, en se concentrant davantage sur les relations entre les bactéries, leurs partenaires animaux et toutes les autres formes de vie.

« Il est difficile de résumer une seule « conclusion la plus importante », si ce n’est l’avertissement aux biologistes qui étudient les animaux, du comportement à la physiologie et de l’écologie à la biologie moléculaire, que quel que soit le processus que vous pensez étudier, vous devez rechercher et envisager un rôle majeur pour les bactéries », a déclaré Hadfield. « Dans de nombreux cas, cela peut nécessiter des partenariats au-delà des frontières traditionnelles de la recherche, ce qui signifie que les zoologistes doivent collaborer avec les microbiologistes pour faire avancer leurs recherches, que les biologistes moléculaires doivent collaborer avec les biologistes des organismes entiers, etc. Nous souhaitons vivement que le message contenu dans « Les animaux dans un monde bactérien » soit un appel à la disparition nécessaire des anciennes frontières entre les départements des sciences de la vie (par exemple, les départements de zoologie, de botanique, de microbiologie, etc.) dans les universités et les sociétés (par exemple, la Société américaine de microbiologie, etc.) Nous voulons également que le message soit diffusé dans les classes des collèges et des universités, de l’introduction à la biologie aux cours avancés dans les différents domaines thématiques de notre article. »

Les résultats changeront profondément la façon dont les scientifiques de cette collaboration poursuivent leurs propres domaines de recherche, a déclaré Hadfield.

« Chacun des auteurs de notre article mène des recherches fondamentales dans un ou plusieurs domaines d’interactions animal-bactérien abordés dans l’article, et chacun continuera à se concentrer sur sa propre spécialité, j’en suis sûr », a-t-il déclaré. « Cependant, je suis également certain que les interactions développées pendant la composition et la rédaction de l’article (à commencer par notre réunion du NESCent en octobre 2011, où la plupart d’entre nous se sont rencontrés pour la première fois) auront un impact sur nos propres recherches et nous amèneront à établir de nouvelles collaborations avec d’autres laboratoires. Cela s’est déjà produit pour moi ; j’ai une nouvelle collaboration avec le groupe de Dianne Newman au CalTech, un groupe exceptionnel de bactériologistes qui nous aident à faire une enquête beaucoup plus approfondie sur les produits génétiques bactériens responsables du développement larvaire. »