Africa-Press – Djibouti. La complexité d’un génome se reflète dans le nombre de gènes qu’il contient, une quantité qui varie selon les espèces. En principe, l’organisme le plus simple est celui qui ne possède que le nombre minimum de gènes : ceux qui lui permettent de survivre et se reproduire dans un environnement donné. Les organismes dont le génome est rationalisé possèdent très peu de gènes, donc moins de cibles pour les mutations. Or, on sait que sans mutation, il n’y a pas d’évolution. Si un organisme ne supporte pas l’arrivée de mutations, alors cela limiterait sa capacité à évoluer et la sélection positive, et ainsi, les possibilités d’adaptation à un nouvel environnement. « La vie trouve toujours un chemin », selon la citation culte de Ian Malcom dans le film Jurassic Park). Alors, est-ce que la cellule minimale, la cellule artificielle dont le génome est le plus petit de tous les organismes cultivés en laboratoire, a trouvé le sien ?
Pour le savoir, le professeur de biologie Jay T. Lennon et son équipe de l’université de l’Indiana à Bloomington (Etats-Unis) ont décidé de mettre la cellule minimale Mycoplasma mycoides JCVI-syn3B au défi de l’évolution. Leur étude publiée dans Nature souligne l’intérêt d’étudier les organismes minimaux pour comprendre le fonctionnement des mécanismes essentiels au maintien de la vie, mais également pour découvrir de nouveaux processus vitaux.
La cellule minimale, un projet d’envergure pour les généticiens
En 2016, le célèbre biologiste et businessman Craig Venter présente Syn 3.0, le plus petit génome viable dans la nature.
La complexité d’un génome se reflète dans le nombre de gènes qu’il contient, une quantité qui varie selon les espèces. En principe, l’organisme le plus simple est celui qui ne possède que le nombre minimum de gènes : ceux qui lui permettent de survivre et se reproduire dans un environnement donné. Les organismes dont le génome est rationalisé possèdent très peu de gènes, donc moins de cibles pour les mutations. Or, on sait que sans mutation, il n’y a pas d’évolution. Si un organisme ne supporte pas l’arrivée de mutations, alors cela limiterait sa capacité à évoluer et la sélection positive, et ainsi, les possibilités d’adaptation à un nouvel environnement. « La vie trouve toujours un chemin », selon la citation culte de Ian Malcom dans le film Jurassic Park). Alors, est-ce que la cellule minimale, la cellule artificielle dont le génome est le plus petit de tous les organismes cultivés en laboratoire, a trouvé le sien ?
Pour le savoir, le professeur de biologie Jay T. Lennon et son équipe de l’université de l’Indiana à Bloomington (Etats-Unis) ont décidé de mettre la cellule minimale Mycoplasma mycoides JCVI-syn3B au défi de l’évolution. Leur étude publiée dans Nature souligne l’intérêt d’étudier les organismes minimaux pour comprendre le fonctionnement des mécanismes essentiels au maintien de la vie, mais également pour découvrir de nouveaux processus vitaux.
La cellule minimale, un projet d’envergure pour les généticiens
En 2016, le célèbre biologiste et businessman Craig Venter présente Syn 3.0, le plus petit génome viable dans la nature. L’objectif est de comprendre le fonctionnement moléculaire et biologique de chacun des gènes d’une cellule en construisant un « génome minimal », contenant uniquement les gènes essentiels à la vie. Ses travaux, publiés dans la revue Science, ont abouti à la production d’un génome ne comportant que 473 gènes, pour un ADN d’une longueur de 531.000 paires de nucléotides, conçu à partir du génome de la bactérie Mycoplasma mycoides. C’est 6.000 fois plus petit que le génome humain et ses 3,2 milliards de nucléotides (un peu comme si l’on comparait une cuillère à café à un jerrican de 30 L).
Moins de gènes, pourquoi pas ? Qui évolue, c’est mieux
L’organisme vivant le plus simple ne possède aucune redondance dans son génome : seulement le nombre minimum de gènes nécessaires à la vie. On peut alors imaginer que l’arrivée de n’importe quelle mutation serait létale pour la cellule minimale. Si l’organisme minimal, si soigneusement construit pour que tout fonctionne avec le strict minimum, ne reste fonctionnel que s’il est stable et s’il reste inchangé, alors il est complètement incompatible avec l’évolution darwinienne.
En effet, si la moindre mutation est mortelle pour la cellule, cela ne laisse aucune place pour l’évolution. Or, la Nasa définit la vie comme « un système chimique autonome capable d’une évolution darwinienne ». Autrement dit, si un organisme ne supporte pas d’être muté, il n’évolue pas. Dans le cas où l’organisme minimal ne présentait pas un taux de mutation significatif, pourrait-on dire qu’il est réellement vivant ? En ce sens, les travaux de Jay T. Lennon et son équipe pourraient questionner la définition même de la vie. (Heureusement, leur taux mutationnel très élevé – qui figure même parmi les plus hauts taux de mutation du règne bactérien – permet d’affirmer que les cellules minimales sont bien vivantes. Elles ont un cycle cellulaire autonome, se divisent et leur génome peut être muté).
La cellule minimale évolue !
Pour leurs travaux, Jay T. Lennon et son équipe ont utilisé l’organisme JCVI-syn3B, une version minimisée de la bactérie M. mycoides utilisée par Craig Venter. Ils ont tout d’abord retiré 45% des 901 gènes de la bactérie d’origine, réduisant le génome de M. mycoides au plus petit nombre de gènes permettant une activité cellulaire viable et autonome. Puis, les chercheurs se sont intéressés à la manière dont la cellule minimale réagirait aux forces de l’évolution au fil du temps.
Au début, la rationalisation du génome de la bactérie a induit une diminution de moitié de son fitness, c’est-à-dire sa capacité à se reproduire et dont la descendance est viable. Mais après 2.000 générations, cette perte a presque pu être totalement regagnée. La sélection naturelle a permis de contrer les effets néfastes de la diminution de la taille du génome sur le fitness des cellules minimales. Malgré les contraintes liées à la rationalisation de son génome, la cellule minimale évolue !
Les cellules minimales évoluées sont plus petites que celles non minimales évoluées. Photographie au microscope électronique à balayage de populations évoluées de cellules Mycoplasma mycoides (modifié). A gauche, les cellules non-minimales. A droite, les cellules minimales. Barre d’échelle = 1 μm. Crédits : illustration issue de la publication de Jay T. Lennon et al./Nature.
Comment la cellule minimale répond-elle aux défis de l’évolution ?
Les chercheurs ont observé que les cellules minimales étaient plus petites que les cellules d’origine non-minimales (diamètre inférieur de 31%). Or, la variation de la taille au sein d’une espèce unicellulaire peut être liée à sa croissance et à son fitness. Tandis que la cellule d’origine a vu sa taille augmenter de 85% en 2 000 générations, la taille de la cellule minimale n’a presque pas changé. Les chercheurs pensent que le responsable de cette absence de croissance est le gène FtsZ, muté lors de la diminution de la taille du génome de la cellule minimale. En 2.000 générations, la cellule minimale a pu regagner la perte de fitness causée par la rationalisation de son génome, mais n’a pas retrouvé de bonnes capacités de croissance.
Pourquoi étudier les génomes ?
Cette étude démontre que la sélection naturelle peut rapidement augmenter le fitness des organismes autonomes les plus simples. La réduction de la taille du génome ne limite pas l’évolution et la diversification des organismes minimaux. La minimisation du génome a même permis de découvrir quels gènes et protéines sont essentiels à l’évolution de la cellule artificielle M. mycoides JCVI-syn3B, dont le génome est le plus petit de tous les organismes cultivés en laboratoire.
La biologie de synthèse et l’étude des génomes ouvrent de nouveaux champs de compréhension du fonctionnement de la génétique, de l’évolution des espèces, des interactions hôte-microorganisme et bien plus encore.
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