Les scientifiques font revivre les molécules de l'âge de pierre
Dans le cadre d'une étude hautement transdisciplinaire, des scientifiques reconstituent des produits naturels microbiens vieux de 100 000 ans.
Les percées réalisées dans la reconstruction des génomes anciens et la biotechnologie révèlent aujourd'hui les riches secrets moléculaires des micro-organismes du paléolithique. Dans une nouvelle étude publiée dans Science, une équipe transdisciplinaire de chercheurs dirigée par l'Institut Leibniz pour la recherche sur les produits naturels et la biologie des infections, l'Institut Max Planck pour l'anthropologie évolutive et l'université de Harvard a reconstruit les génomes bactériens de bactéries inconnues jusqu'à présent et datant du Pléistocène. À l'aide de leurs plans génétiques, ils ont construit une plateforme biotechnologique pour faire revivre les produits naturels de ces anciennes bactéries.
En utilisant de l'ADN ancien, des biochimistes ont réussi à produire des molécules, les paléofuranes (ici sous forme de poudre).
Anna Schroll, Leibniz-HKI
Les microbes sont les plus grands chimistes de la nature, et parmi leurs créations figurent un grand nombre d'antibiotiques et d'autres médicaments thérapeutiques utilisés dans le monde. La production de ces produits chimiques naturels complexes n'est pas simple et, pour ce faire, les bactéries s'appuient sur des types de gènes spécialisés qui codent pour des machines enzymatiques capables de fabriquer ces produits chimiques. À l'heure actuelle, l'étude scientifique des produits naturels microbiens se limite en grande partie aux bactéries vivantes, mais étant donné que les bactéries peuplent la terre depuis plus de 3 milliards d'années, il existe une énorme diversité de produits naturels passés ayant un potentiel thérapeutique qui nous sont encore inconnus - jusqu'à présent.
"Dans cette étude, nous avons franchi une étape importante en révélant la vaste diversité génétique et chimique de notre passé microbien", déclare Christina Warinner, coauteur principal, professeur associé d'anthropologie à l'université de Harvard, chef de groupe à l'Institut Max Planck d'anthropologie évolutive et chef de groupe affilié à l'Institut Leibniz de recherche sur les produits naturels et la biologie des infections (Leibniz-HKI). "Notre objectif est de tracer une voie pour la découverte de produits naturels anciens et d'informer sur leurs applications potentielles futures", ajoute Pierre Stallforth, coauteur principal, professeur de chimie bioorganique et de paléobiotechnologie à l'université Friedrich Schiller d'Iéna et directeur du département de paléobiotechnologie au Leibniz-HKI.
Un puzzle d'un milliard de pièces
Lorsqu'un organisme meurt, son ADN se dégrade rapidement et se fragmente en une multitude de petits morceaux. Les scientifiques peuvent identifier certains de ces fragments d'ADN en les comparant à des bases de données, mais pendant des années, les archéologues microbiens se sont heurtés au fait que la plupart des ADN anciens ne pouvaient être comparés à quoi que ce soit de connu aujourd'hui. Ce problème a longtemps contrarié les scientifiques, mais les progrès récents de l'informatique permettent désormais de recomposer les fragments d'ADN - comme les pièces d'un puzzle - afin de reconstruire des gènes et des génomes inconnus.
Le seul problème est que cela ne fonctionne pas très bien avec l'ADN ancien du Pléistocène, très dégradé et extrêmement court. "Nous avons dû repenser complètement notre approche", explique Alexander Hübner, chercheur postdoctoral à l'Institut Max Planck d'anthropologie évolutive et coauteur principal de l'étude. Trois ans de tests et d'optimisation plus tard, Hübner affirme qu'ils ont réalisé une percée en parvenant à reconstituer des segments d'ADN de plus de 100 000 paires de bases et à récupérer un large éventail de gènes et de génomes anciens. "Nous pouvons désormais partir de milliards de fragments d'ADN anciens inconnus et les ordonner systématiquement en génomes bactériens de l'ère glaciaire perdus depuis longtemps."
Explorer le paléolithique microbien
L'équipe s'est attachée à reconstruire les génomes bactériens contenus dans le tartre dentaire de 12 Néandertaliens datant d'environ 102 000 à 40 000 ans, de 34 humains archéologiques datant d'environ 30 000 à 150 ans et de 18 humains d'aujourd'hui. Le tartre dentaire est la seule partie du corps qui se fossilise régulièrement au cours de la vie, transformant la plaque dentaire vivante en un cimetière de bactéries minéralisées. Les chercheurs ont reconstitué de nombreuses espèces de bactéries buccales, ainsi que d'autres espèces plus exotiques dont les génomes n'avaient jamais été décrits auparavant.
Parmi celles-ci, un membre inconnu de Chlorobium, dont l'ADN très endommagé présentait les caractéristiques d'un âge avancé, a été retrouvé dans le tartre dentaire de sept humains du paléolithique et de Néandertaliens. Les sept génomes de Chlorobium contenaient un groupe de gènes biosynthétiques de fonction inconnue. "Le calcul dentaire de la dame rouge d'El Mirón (Espagne), vieille de 19 000 ans, a révélé un génome de Chlorobium particulièrement bien conservé", explique Anan Ibrahim, chercheur postdoctoral à l'Institut Leibniz de recherche sur les produits naturels et la biologie des infections et coauteur principal de l'étude. "Après avoir découvert ces gènes anciens énigmatiques, nous avons voulu les mettre en laboratoire pour découvrir ce qu'ils fabriquent".
La chimie de l'ère glaciaire
L'équipe a utilisé les outils de la biotechnologie moléculaire synthétique pour permettre à des bactéries vivantes de produire les substances chimiques codées par les gènes anciens. C'était la première fois que cette approche était appliquée avec succès à des bactéries anciennes, et elle a permis de découvrir une nouvelle famille de produits naturels microbiens que les chercheurs ont baptisée "paléofuranes". "Il s'agit de la première étape vers l'accès à la diversité chimique cachée des anciens microbes de la Terre, et cela ajoute une nouvelle dimension temporelle passionnante à la découverte de produits naturels", déclare Martin Klapper, chercheur postdoctoral à l'Institut Leibniz de recherche sur les produits naturels et la biologie de l'infection et co-auteur principal de l'étude.
Une collaboration inédite pour fonder un nouveau domaine
Le succès de l'étude est le résultat direct d'une collaboration ambitieuse entre archéologues, bioinformaticiens, biologistes moléculaires et chimistes pour surmonter les barrières technologiques et disciplinaires et ouvrir de nouvelles voies scientifiques. "Grâce au financement de la Fondation Werner Siemens, nous avons entrepris de jeter des ponts entre les sciences humaines et les sciences naturelles", explique Pierre Stallforth. "En travaillant en collaboration, nous avons pu développer les technologies nécessaires pour recréer des molécules produites il y a cent mille ans", ajoute Christina Warinner. Pour l'avenir, l'équipe espère utiliser cette technique pour trouver de nouveaux antibiotiques.
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.
Publication originale
Klapper M, Hübner A, Ibrahim A, Wasmuth I, Borry M, Haensch VG, Zhang S, Al-Jammal WK, Suma H, Fellows Yates JA, Frangenberg J, Velsko IM, Chowdhury S, Herbst R, Bratovanov EV, Dahse H-M, Horch T, Hertweck C, González Morales MR, Straus LG, Vilotijevic I, Warinner C, Stallforth P (2023). Natural products from reconstructed bacterial genomes of the Middle and Upper Paleolithic. Science
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