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Reproduire et comprendre l’évolution des bactéries dans un tube à essai

by Frédéric Magné - published on , updated on

La capacité des bactéries à produire des mutations, et donc à s’adapter, évolue en fonction de leur environnement et de leur niveau d’adaptation. C’est ce que viennent de montrer des chercheurs du Laboratoire adaptation et pathogénie des micro-organismes (LAPM, CNRS/Université Joseph Fourier-Grenoble) (1), en collaboration avec le Génoscope (CEA/IG-Evry). Les mutations du génome des bactéries participent à leur capacité d’adaptation et sont, par exemple, responsables de l’émergence de bactéries multi-résistantes aux antibiotiques ou de bactéries pathogènes responsables d’infections nosocomiales. Comprendre l’évolution des mécanismes qui contrôlent l’apparition des mutations est donc essentiel pour améliorer la lutte contre ces micro-organismes. Ces résultats viennent d’être publiés dans la revue Proceedings of the National Academy of Science (PNAS).

Les mutations de l’ADN sont à l’origine des variations qui permettent l’évolution des organismes vivants. Elles peuvent avoir des effets positifs, négatifs ou neutres, et c’est l’équilibre entre ces différents effets qui va conduire à l’adaptation des organismes vivants à leur environnement. Comprendre comment la production de mutations varie au cours du temps est donc indispensable pour décrire les processus évolutifs.

L’équipe dirigée par Dominique Schneider au sein du LAPM a utilisé la plus longue expérience d’évolution en cours dans le monde pour appréhender cette question. Dans le cadre de ce projet, des populations bactériennes ont été initiées à partir d’une cellule unique d’Escherichia coli (« l’ancêtre ») et sont cultivées nuit et jour, 365 jours par an, depuis 1988. Les chercheurs effectuent des prélèvements à intervalles réguliers sur ces populations, et les conservent, ce qui permet d’obtenir de véritables archives fossiles vivantes et d’analyser leur évolution. Au cours de cette longue expérience qui représente aujourd’hui plus de 55 000 générations (ce qui, à l’échelle humaine, correspond à près de deux millions d’années), les chercheurs ont identifié une population de bactéries qui a vu sa capacité à produire des mutations augmenter de plus de 100 fois, constituant ce que les généticiens appellent une population hypermutatrice, avant de constater que cette capacité continuait à évoluer…

En pratique, les chercheurs ont séquencé l’intégralité du génome bactérien à différents temps au cours de l’évolution (171 clones bactériens au total, séquençage réalisé par le Génoscope). Les données de séquençage ont été intégrées à la plateforme MicroScope (2), développée au Génoscope, et comparées au génome de l’ancêtre. Après 20 000 générations, ils ont observé une augmentation très importante du nombre de mutations, la population étant devenue hypermutatrice. En effet, d’une moyenne d’environ 40 à 50 mutations par génome à 20 000 générations, les bactéries sont passées à une moyenne de plus de 700 mutations à 40 000 générations. Mais le plus étonnant est que cette évolution s’est produite en plusieurs étapes avec une augmentation massive du taux de mutation suivie d’une diminution de ce taux de mutation.

L’équipe de Dominique Schneider a pu décrypter les mécanismes moléculaires mis en jeu dans ce processus multi-étapes, en analysant la séquence des génomes entiers de ces bactéries. Au niveau évolutif, cette population bactérienne est passée successivement d’une étape où le taux de mutation était élevé, ce qui lui a permis de s’adapter à son environnement, à une étape où le taux de mutation a diminué mais est resté à un niveau intermédiaire, ce qui lui a permis de poursuivre son adaptation en conservant une probabilité plus élevée de « trouver » des mutations bénéfiques, tout en réduisant la proportion de mutations néfastes.

Grâce à cette expérience d’évolution en tube à essai, les chercheurs ont pu comprendre les différentes étapes qui président in vivo à l’apparition de bactéries mutantes. De telles bactéries hypermutatrices sont connues pour être associées à de graves problèmes de santé publique, comme l’apparition de maladies nosocomiales et de bactéries multi-résistantes aux antibiotiques, ou de certains types de tumeurs chez les eucaryotes (3). Les chercheurs espèrent que le décryptage de ce processus au niveau de génomes entiers va permettre de modéliser le comportement des bactéries pathogènes, de contrôler leurs capacités d’adaptation, et, à terme, de développer de nouveaux outils thérapeutiques pour faire face aux infections bactériennes.

© UJF
Colonies provenant d’une souche hypermutatrice d’Escherichia coli.


Notes :

(1) Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec le laboratoire Ecologie et évolution des microorganismes (UMR-S 722, Inserm/Université Paris Diderot) et une équipe américaine (Richard Lenski, Michigan State University), grâce à des financements de l’ANR.
(2) Consulter le site web
(3) Organismes possédant un noyau cellulaire, par opposition aux bactéries (procaryotes).

Références :

"Mutation rate dynamics in a bacterial population reflect tension between adaptation and genetic load" Sébastien Wielgoss, Jeffrey E. Barrick, Olivier Tenaillon, Michael J.Wiser, W. James Dittmar, Stéphane Cruveiller, Béatrice Chane-Woon-Ming, Claudine Médigue, Richard E. Lenski and Dominique Schneider. PNAS, 17 décembre 2012.

Contacts :

Chercheur l Dominique Schneider l T 04 76 63 74 90 l dominique.schneider@ujf-grenoble.fr
Presse CNRS l Muriel Ilous l T 01 44 96 43 09 muriel.ilous@cnrs-dir.fr