Exploiter l'océan comme source de produits naturels
Découverte de nouvelles espèces et de nouvelles molécules
En utilisant les données ADN, les chercheurs de l'ETH ont examiné l'eau de mer pour trouver non seulement de nouvelles espèces de bactéries, mais aussi des produits naturels inconnus jusqu'alors qui pourraient un jour se révéler bénéfiques.
Les bactéries marines constituent un réservoir important de composés chimiques non découverts qui pourraient présenter un intérêt pour l'homme.
Helena Klein / ZHdK
Les océans regorgent d'innombrables formes de vie, de la plus grande créature du monde - la baleine bleue - aux minuscules micro-organismes. Outre leur grand nombre, ces micro-organismes sont également essentiels au bon fonctionnement de l'ensemble du système écologique et climatique. Par exemple, il existe des variétés photosynthétiques actives, comme les cyanobactéries, qui produisent environ 50 % de l'oxygène présent dans l'atmosphère. En outre, en éliminant le dioxyde de carbone de l'atmosphère, les micro-organismes contribuent à lutter contre le réchauffement de la planète.
Malgré ce rôle important, la recherche sur la diversité des micro-organismes présents dans l'océan n'a été jusqu'à présent que rudimentaire. C'est pourquoi un groupe de chercheurs dirigé par Shinichi Sunagawa, professeur de recherche sur le microbiome, travaille en étroite collaboration avec le groupe de Jörn Piel pour étudier cette diversité. Les deux groupes se trouvent à l'Institut de microbiologie de l'ETH Zurich.
Pour détecter les nouveaux produits naturels fabriqués par les bactéries, Sunagawa et son équipe ont examiné les données ADN accessibles au public provenant de 1000 échantillons d'eau prélevés à différentes profondeurs dans toutes les régions océaniques du monde. Ces données provenaient de sources telles que des expéditions océaniques et des plateformes d'observation placées en mer.
Grâce aux technologies modernes telles que l'analyse de l'ADN environnemental (ADNe), il est devenu plus facile de rechercher de nouvelles espèces et de découvrir quels organismes connus peuvent être trouvés où. Mais ce que l'on ne sait pratiquement pas, ce sont les effets spéciaux des micro-organismes marins - en d'autres termes, les composés chimiques qu'ils fabriquent et qui sont importants pour les interactions entre organismes. Dans le meilleur des cas, ces composés seraient également bénéfiques pour l'homme. L'hypothèse sous-jacente à cette recherche est que le microbiome océanique recèle un grand potentiel de produits naturels qui pourraient s'avérer bénéfiques, par exemple pour leurs propriétés antibiotiques.
L'ADN électronique extrait présent dans les échantillons a été séquencé par les chercheurs originaux des différentes expéditions. En reconstruisant des génomes entiers sur ordinateur, les scientifiques ont réussi à décrypter les informations codées - les plans des protéines. Enfin, ils ont regroupé ces nouvelles données avec les 8 500 ensembles de données sur les génomes des micro-organismes marins dans une seule base de données.
Ils ont ainsi obtenu 35 000 génomes sur lesquels s'appuyer pour rechercher de nouvelles espèces microbiennes et, en particulier, des groupes de gènes biosynthétiques (GBS) prometteurs. Un BGC est un groupe de gènes qui fournit la voie de synthèse d'un produit naturel.
Découverte de nouvelles espèces et de nouvelles molécules
Dans ces données génomiques, les chercheurs ont détecté non seulement de nombreux BGC potentiellement utiles - quelque 40 000 au total - mais aussi des espèces inconnues de bactéries appartenant au phylum Eremiobacterota. Ce groupe de bactéries était connu pour n'exister que dans les environnements terrestres et ne présentait pas de diversité biosynthétique particulière.
Sunagawa et son équipe ont nommé une nouvelle famille de ces bactéries, les Eudoremicrobiaceae, et ont également pu démontrer que ces bactéries sont communes et répandues : une espèce appartenant à cette famille, Eudoremicrobium malaspinii, représente jusqu'à 6 % de toutes les bactéries présentes dans certaines zones de l'océan.
"Les espèces apparentées présentes dans l'océan possèdent ce qui, pour des bactéries, est un génome géant. Le décrypter entièrement était un défi technique car ces organismes n'avaient jamais été cultivés auparavant", explique Sunagawa. De plus, les nouvelles bactéries se sont avérées appartenir au groupe de micro-organismes qui présente la plus grande diversité de BGC de tous les échantillons examinés. "En l'état actuel des choses, il s'agit de la famille la plus diversifiée sur le plan biosynthétique dans la colonne d'eau océanique", ajoute-t-il.
Les chercheurs ont examiné en détail deux BGC d'Eudoremicrobiaceae . L'un d'eux était un groupe de gènes contenant le code génétique d'enzymes qui, selon Sunagawa, n'avaient jamais été trouvés dans cette constellation dans une BGC bactérienne auparavant. L'autre exemple examiné était un produit naturel bioactif qui inhibe une enzyme protéolytique.
Des expériences de validation ont conduit à une surprise
En collaboration avec le groupe dirigé par Jörn Piel, les chercheurs ont utilisé des expériences pour valider la structure et la fonction des deux produits naturels. E. malaspinii ne pouvant être cultivée, l'équipe de Piel a dû greffer des gènes dans une bactérie modèle afin qu'ils servent de modèle pour les produits naturels. Cette bactérie a ensuite produit les substances correspondantes. Enfin, les chercheurs ont isolé les molécules des cellules, déterminé leur structure et validé leur activité biologique.
Cette étape était nécessaire car, dans un cas, l'activité enzymatique prédite par les programmes informatiques ne correspondait pas aux résultats des expériences. "Les prédictions informatiques concernant les réactions chimiques qu'une enzyme va déclencher ont leurs limites", explique Sunagawa. "C'est pourquoi ces prédictions doivent être validées en laboratoire s'il y a le moindre doute."
C'est une entreprise coûteuse et longue qui n'est tout simplement pas viable pour une base de données de 40 000 produits naturels potentiels. "Cependant, notre base de données a beaucoup à offrir, et elle est accessible à tous les chercheurs qui souhaitent l'utiliser", précise M. Sunagawa.
Au-delà de la collaboration continue avec le groupe de Piel pour découvrir de nouveaux produits naturels, Sunagawa souhaite étudier les questions non résolues concernant l'évolution et l'écologie des micro-organismes océaniques. Il s'agit notamment de savoir comment les micro-organismes sont dispersés dans l'océan, étant donné qu'ils ne peuvent se propager sur de grandes distances que de manière passive. Il souhaite également découvrir quels avantages écologiques ou évolutifs certains gènes procurent aux microbes. Sunagawa soupçonne les BGC de jouer un rôle majeur.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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