Les animaux qui suivent les conseils des bactéries

Ayez pitié du pauvre ver tubicole, dont la vie est semée d’embûches. Comme de nombreux invertébrés marins, le ver passe ses premiers jours sous la forme d’une minuscule larve dérivant dans le plancton – mais tôt ou tard, il doit choisir un endroit pour s’installer. Une fois cimenté à une surface dure, il commence le changement de forme massif appelé métamorphose, d’où il émerge dans sa splendeur adulte.

Il n’y a pas de seconde chance : un ver qui choisit un mauvais endroit ne peut pas réessayer. Face à une décision aussi capitale – la plus importante de sa vie – la larve a besoin de toute l’aide possible. Souvent, cette aide vient d’un tout autre royaume de la vie.

Les scientifiques savent depuis plusieurs décennies que certaines larves animales, dont celles de vers tubicoles, sélectionnent des sites de métamorphose en surveillant les signaux chimiques émis par les bactéries. Mais ils commencent tout juste à réaliser à quel point la relation peut être étendue et sophistiquée – impliquant parfois des machines bactériennes spécialisées pour transmettre des signaux aux larves. Cela implique que la communication entre les animaux et les bactéries dans les océans pourrait être beaucoup plus riche et plus coopérative qu’on ne le pensait auparavant.

Et il pourrait y avoir des applications pratiques : les experts trouveront peut-être un jour des moyens de gérer cette communication pour inciter les animaux à s’installer dans certains endroits, comme les parcs à huîtres, et les décourager dans d’autres, comme les coques de navires.

Il n’est guère surprenant que les vers tubicoles et autres larves planctoniques s’appuient sur des signaux bactériens pour aider à sélectionner un endroit approprié pour la métamorphose. Après tout, une fine couche d’espèces bactériennes mixtes – appelée biofilm – recouvre chaque surface océanique disponible. Ce qui est nouveau, c’est l’ampleur émergente de ce phénomène. “Dans chaque branche principale de l’arbre de vie animal, il existe des espèces qui subissent une métamorphose en réponse à des bactéries”, explique Nicholas Shikuma, microbiologiste à l’Université d’État de San Diego qui a co-écrit un regard sur comment les bactéries influencent la métamorphose animale dans le 2021 Revue annuelle de microbiologie.

Dans certains cas, les larves semblent simplement écouter les signaux chimiques qui s’échappent lorsque les bactéries se font concurrence ou vaquent à leurs propres activités. Dans d’autres, cependant, les chercheurs soupçonnent que les larves sont le principal public « destiné » pour le signal. Dans un cas remarquable, l’équipe de Shikuma a découvert une bactérie à biofilm appelée Pseudoalteromonas luteoviolacea produit des seringues moléculaires qui injectent activement une protéine déclenchant la métamorphose dans les larves du ver tubicole Hydroides elegans.

De nombreuses bactéries ont des machines d’injection semblables à des seringues, mais c’est la première fois qu’il est démontré qu’elles jouent un rôle dans la métamorphose animale. Plus communément, il est utilisé pour livrer une charge utile de toxines. Certaines bactéries, comme celle qui cause le choléra, utilisent les toxines pour détruire les cellules de leur hôte. D’autres les utilisent pour la guerre intermicrobienne.

Les seringues sont liées de manière évolutive aux protéines de la queue des virus, appelées bactériophages, qui envahissent les bactéries. Les virus utilisent la machinerie pour injecter leur matériel génétique dans les bactéries hôtes – et à un moment donné dans un passé lointain, les bactéries ont dû acquérir les gènes et les utiliser à leur propre usage.

La plupart des bactéries déploient leurs seringues individuellement, tout comme le font les phages. Mais Pseudoalteromonas est remarquablement différent. Au lieu d’une seule seringue, il produit une structure hérissée de plusieurs centaines. La cellule bactérienne construit la structure dans une configuration compacte et pliée comme un meuble à plat. Ensuite, la cellule éclate et l’emballage soigné se déploie, s’épanouissant en une masse hémisphérique – l’« étoile de la mort », comme Shikuma aime l’appeler. (Seulement environ 2,4 pour cent des Pseudoalteromonas les cellules d’un biofilm produisent l’étoile de la mort, vraisemblablement pour le bénéfice collectif de la colonie.)

(Crédit : Brian Nedved/Université d’Hawaï)

Chaque tube de seringue dans cette étoile de la mort contient une protéine appelée Mif1 qui induit la métamorphose dans Hydroides larves. Très probablement, la protéine se lie à une cible à l’intérieur de la cellule larvaire, puisque Mif1 extracellulaire n’a aucun effet. Le laboratoire de Shikuma cherche à voir si Mif1 remplit d’autres fonctions, comme attaquer d’autres bactéries, mais ils n’en ont pas encore trouvé, dit-il – et cet échec, ainsi que la nature élaborée du système de livraison, lui font penser que Hydroides pourrait être la cible visée par l’étoile de la mort.

Si la bactérie se donne tant de mal pour aider Hydroides régler, cela suggérerait qu’il obtient quelque chose en retour, dit Shikuma. Il n’a pas encore déterminé quel est cet avantage, mais il spécule qu’en attirant Hydroides s’installer, Pseudoalteromonas contribue à garantir que son biofilm sera le premier à coloniser les nouvelles surfaces – le nouvel habitat – que fournira le corps en croissance du ver tubicole.

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S’il a raison, ou si les bactéries tirent un autre avantage des vers, cela pourrait changer les idées sur l’équilibre des pouvoirs dans l’installation des larves. “Les gens pensaient que l’animal était responsable et que les bactéries ne faisaient que servir d’indices passifs de l’environnement”, explique Shikuma. “Mais les bactéries pourraient bénéficier de l’interaction plus que nous ne le pensons actuellement.”

Un modèle de « l’étoile de la mort » produit par la bactérie Pseudoalteromonas luteoviolacea. La structure est un réseau hémisphérique contenant des dizaines de seringues moléculaires qui injectent une protéine dans les larves du ver tubicole Hydroides elegans, déclenchant la métamorphose. De nombreuses bactéries utilisent des seringues moléculaires uniques, souvent pour se défendre, mais ce système beaucoup plus complexe est le seul connu pour affecter la métamorphose animale. (Crédit : NJ Shikuma ET AL/Science 2014)

Certains autres chercheurs ne sont pas prêts à acheter l’idée. “Personnellement, je ne pense pas que toutes les preuves soient encore là pour vraiment dire qu’il s’agit d’une participation active”, déclare Brian Nedved, un biologiste larvaire à l’Université d’Hawaï qui travaille également sur Hydroides. Au lieu de cela, Nedved pense qu’il est plus probable que l’étoile de la mort ait un rôle encore non découvert dans la défense Pseudoalteromonas de bactéries concurrentes. Mif1 n’est pas non plus le seul facteur impliqué. D’autres molécules peuvent également déclencher Hydroides métamorphose par différents mécanismes, dit Nedved.

Shikuma, quant à lui, a ont trouvé les mêmes gènes impliqués dans la construction de l’étoile de la mort dans des types de bactéries totalement indépendantes – celles qui font partie de la flore microbienne normale de l’intestin humain. « C’est très curieux qu’ils soient là, et nous sommes intrigués de découvrir à quoi cela sert », dit-il.

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L’US Navy est suffisamment intéressée pour financer son travail, en grande partie parce que sachant pourquoi les larves de créatures comme Hydroides s’installer là où ils le font pourrait conduire à de meilleures façons de les garder hors de la coque des navires. Mais la Marine est également intriguée par d’autres possibilités plus futuristes, dit Shikuma, comme savoir comment charger une étoile de la mort avec des médicaments thérapeutiques – par exemple, des médicaments antimicrobiens que les soldats pourraient un jour prendre pour prévenir la diarrhée des voyageurs.

Et il y a aussi une idée plus grande en jeu, explique Suhelen Egan, microbiologiste de l’environnement à l’Université de Nouvelle-Galles du Sud, en Australie, qui étudie les interactions entre les algues marines et les bactéries. Si Shikuma a raison – que les larves marines ne se contentent pas d’écouter les bactéries mais sont engagées dans une conversation active – il pourrait en être de même pour de nombreux autres systèmes écologiques. Et cela pourrait signifier que les communautés microbiennes sont beaucoup plus étroitement intégrées aux organismes supérieurs sur lesquels elles vivent et parmi lesquelles les écologistes ne l’ont précédemment reconnu.

Ces interactions n’ont pas besoin d’être des conversations intimes en tête-à-tête, note Egan. Au lieu de cela, ils pourraient ressembler davantage à un cocktail, avec une grande variété de participants interagissant avec un large éventail de partenaires au sein d’associations lâches et changeantes. Personne ne le sait encore, mais la relation étrange entre un ver tubicole qui souille la coque et la bactérie étoile de la mort constitue un bon point de départ pour commencer à apprendre.

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Bob Holmes est un écrivain scientifique basé à Edmonton, Canada.

Cet article a été initialement publié dans Magazine connu, une entreprise journalistique indépendante d’Annual Reviews.

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