EXPO 40 ans BCCM: Les irréductibles

Deinococcus radiodurans (LMG 4051T)

Deinococcus radiodurans est une bactérie extrêmophile connue pour son extraordinaire résistance aux radiations et à d'autres facteurs de stress environnementaux. Découverte en 1956 par Arthur W. Anderson et ses collègues, elle possède les super-pouvoirs suivants :

• elle est capable de résister à des niveaux de radiation extrêmement élevés, jusqu'à 5 000 Gy (gray) de radiation ionisante, ce qui est des milliers de fois supérieur à ce qui est mortel pour la plupart des autres organismes. Cela est dû à sa capacité à réparer les dommages causés à l'ADN par les radiations plus efficacement que les autres bactéries.
• peut survivre à une déshydratation extrême (dessiccation) pendant de longues périodes, grâce à sa capacité à réparer les dommages causés à l'ADN et à maintenir l'intégrité de sa membrane, même en l'absence d'eau.
• possède plusieurs copies de son génome (jusqu'à quatre), ce qui permet une réparation plus efficace de l'ADN face aux radiations et à d'autres facteurs de stress.

Dans l'ensemble, les remarquables super-pouvoirs de Deinococcus radiodurans contre les extrêmes environnementaux en ont fait un organisme modèle important pour l'étude des mécanismes de réparation de l'ADN et pour des applications potentielles en bioremédiation et dans d'autres domaines de la biotechnologie.

Thermus aquaticus (LMG 8924T)

Thermus aquaticus se trouve dans les sources chaudes et les geysers. Il est surtout connu pour sa capacité à produire l'enzyme Taq polymérase, stable à la chaleur, qui est largement utilisée dans la technique de réaction en chaîne de la polymérase (PCR) pour l'amplification de l'ADN.

Au cours de l'été 1969, un groupe de chercheurs de l'université de l'Indiana a exploré les sources chaudes du parc national de Yellowstone, à la recherche de micro-organismes capables de survivre dans des environnements extrêmes. L'un de ces chercheurs, le microbiologiste Thomas D. Brock, souhaitait étudier les bactéries thermophiles qui vivaient dans les sources chaudes. Un jour, alors qu'il prélevait des échantillons d'une source chaude près du geyser Old Faithful, Brock a remarqué quelque chose d'inhabituel. L'eau de la source était bouillante, mais une couche visqueuse se développait sur les rochers et les troncs d'arbres au bord de la source. Intrigué, Brock prélève un échantillon de cette couche visqueuse et l'emmène au laboratoire où il isole une nouvelle espèce de bactérie qu'il nomme Thermus aquaticus. Il s'est vite rendu compte que cette bactérie ne ressemblait à rien de ce qu'il avait vu auparavant : elle pouvait se développer à des températures allant jusqu'à 75°C !

Ce n'est que dans les années 1980 que la véritable valeur de Thermus aquaticus est apparue. En 1983, un groupe de chercheurs de Cetus Corporation, une société de biotechnologie californienne, tente de mettre au point une nouvelle méthode de multiplication de l'ADN. Alors que Kary Mullis, un chimiste travaillant chez Cetus, rentrait d'un bar en voiture, il imagina une technique hypothétique, qu'il appela la réaction en chaîne de la polymérase (PCR), dans laquelle l'ADN est successivement chauffé et refroidi afin de le répliquer en quantité. Dans cette réaction, l'ADN est d'abord chauffé à environ 95°C afin que les deux brins qui le composent se séparent. Au cours de l'étape suivante, une enzyme "polymérase" copie l'ADN simple brin. La répétition de ces étapes crée une réaction en chaîne qui produit suffisamment d'ADN pour être étudié. Au départ, cependant, les chercheurs ont eu du mal à trouver une enzyme capable de résister aux températures élevées et aux fluctuations de température nécessaires à ce processus. C'est alors que M. Mullis s'est souvenu d'une lecture sur Thermus aquaticus et ses enzymes résistantes à la chaleur. Il a suggéré d'isoler l'ADN polymérase de T. aquaticus et de l'utiliser pour le processus de PCR.

La PCR facilite grandement l'étude de l'ADN, ce qui permet d'identifier rapidement et avec précision de nombreuses maladies génétiques.
La découverte de la polymérase de T. aquaticus (souvent abrégée en "Taq polymérase") et de la technique PCR a révolutionné la biologie moléculaire. La PCR facilite grandement l'étude de l'ADN, ce qui permet d'identifier rapidement et avec précision de nombreuses maladies génétiques, d'identifier des personnes dans le cadre de la médecine légale, de développer des organismes génétiquement modifiés et bien d'autres choses encore. Pour la découverte de la PCR, Mullis a reçu le prix Nobel de chimie en 1993.

Vibrio natriegens (LMG 10935T)

Vibrio natriegens est une espèce remarquable de bactérie qui prospère dans certains des environnements les plus extrêmes de la planète, tels que les salines et les lacs salés. Ces habitats posent des défis considérables à la plupart des formes de vie en raison de leurs concentrations élevées en sel, mais V. natriegens a acquis des adaptations particulières qui lui permettent de prospérer. Cette bactérie est donc un sujet d'intérêt majeur pour la recherche scientifique, car elle met en lumière les limites de l'adaptabilité de la vie.
En outre, Vibrio natriegens a le taux de croissance le plus rapide de tous les organismes connus, avec un temps de doublement de moins de 10 minutes, ce qui en fait un record du monde. Cette caractéristique a suscité une grande attention dans les applications biotechnologiques et industrielles en raison de son potentiel d'accélération de divers processus de production.

Vibrio natriegens as a fast-growing host for molecular biology. Weinstock et al., Nature Methods (2016)

Cupriavidus metallidurans CH34 (LMG 1195T)

L'utilisation et l'utilité des bactéries sur Terre sont vastes et incontestables. De même, ces micro-organismes peuvent également contribuer à l'exploitation d'autres surfaces planétaires comme Mars. Ils pourraient être utilisés pour extraire des minéraux utiles des roches extraterrestres, limitant ainsi le volume de matériaux à transporter.

Cupriavidus metallidurans CH34 (LMG 1195T) a la capacité de tolérer et même de métaboliser une large gamme de métaux lourds et est donc étudié pour son comportement sous gravité modifiée dans la Station spatiale internationale (ISS). BCCM/LMG a mis au point une méthode de lyophilisation sur des tranches de basalte afin de maintenir la bactérie dans un état de dormance depuis le lancement de la fusée jusqu'à l'arrivée à l'ISS.

Le premier lot de 15 lames de basalte a été lancé avec succès le 26 juillet 2019 à 0h01 CEST depuis le Centre spatial Kennedy de la NASA, à l'aide d'une fusée porteuse Falcon 9 de SpaceX. Toutes les cultures de C. metallidurans lyophilisées sur des lames de basalte ont montré une viabilité lors de la réhydratation, à 408 km au-dessus de la Terre.

BioRock: New Experiments and Hardware to Investigate Microbe–Mineral Interactions in Space. Loudon et al., International Journal of Astrobiology (2018).

Souches antarctiques et mécanismes de résistance au froid

Les cyanobactéries sont connues pour leur capacité à prospérer dans diverses conditions environnementales. Certaines souches de cyanobactéries ont été découvertes en Antarctique, où elles se sont adaptées au froid extrême et aux conditions difficiles. Ces cyanobactéries adaptées au froid sont particulièrement intéressantes en raison de leurs adaptations uniques et des applications potentielles de leurs enzymes dans divers processus biotechnologiques. Pour survivre dans des environnements froids, les cyanobactéries présentent des adaptations telles que la production de protéines antigel qui aident à prévenir la formation de glace dans leurs cellules, ainsi que la capacité d'ajuster leur machinerie photosynthétique pour fonctionner efficacement à basse température. Ces micro-organismes produisent également des enzymes adaptées aux basses températures. Ces enzymes sont souvent appelées enzymes psychrophiles ou adaptées au froid et elles ont évolué pour rester actives et efficaces dans des conditions froides. Cette stratégie a des applications potentielles dans diverses industries, y compris la biotechnologie et les produits pharmaceutiques. Les enzymes dites "résistantes au froid" peuvent être utilisées dans des processus qui nécessitent une activité à basse température, comme la production de détergents actifs à froid, l'industrie alimentaire (par exemple, pour les applications laitières et brassicoles) et la biologie moléculaire.

Chaetoceros elegans (DCG 0529)

Le passé peut nous apprendre beaucoup sur le présent, mais aussi sur l'orientation possible de l'avenir de notre planète. Les fossiles peuvent nous en apprendre beaucoup sur l'évolution. Cependant, faire revivre des fossiles semble être une idée issue de la pure fiction. En réalité, cette idée est beaucoup plus proche de la réalité que la plupart des gens ne le pensent. Certaines diatomées peuvent former des spores de repos, que l'on peut trouver dans des couches de sédiments datant de plusieurs milliers d'années. Les spores de repos sont formées dans des conditions environnementales difficiles et stressantes afin de survivre jusqu'à ce que les conditions soient plus favorables. Les spores de repos de ces espèces peuvent donc nous en apprendre beaucoup sur l'environnement du passé. De plus, contrairement aux os de dinosaures, ces spores au repos peuvent être ranimées et remises en culture sous forme de cellules vivantes. L'analyse de l'ADN de ces fossiles vivants nous permet d'en apprendre beaucoup sur la microévolution. Par exemple, des spores au repos de diatomées du genre Chaetoceros ont été trouvées dans des sédiments datant de 6600 ans et ont été mises en culture avec succès.

Le saviez-vous ? Ces spores existent depuis avant les pyramides égyptiennes !

Not dead yet: Diatom resting spores can survive in nature for several millenia. Sanyal et al., Journal of Botany (2022)

Armillaria

Les Armillaria, représentées ici par Armillaria heimii, font partie des champignons lamellaires (Agaricales). Ils ont la particularité de former des structures appelées rhizomorphes, petits cordons qui s'étendent dans le sol à la recherche d'un arbre hôte, et qui transportent par exemple de l'eau. Les champignons du genre Armillaria jouent un rôle écologique important dans le milieu naturel ; ils sont d'importants pathogènes pour les arbres de nos forêts, contribuant au recyclage du bois et donc au cycle du carbone.

Un spécimen canadien d'Armillaria de l'espèce  A. solidipes (syn. A. ostoyae) fait partie des plus grands organismes vivants sur terre avec une taille d'environ neuf km2. Son âge est estimé à 2 400 ans et son poids à 600 tonnes.

La paroi cellulaire épique des mycobactéries arrête les indésirables

Les mycobactéries possèdent une paroi cellulaire unique, appelée "défenseur", qui est riche en lipides et fonctionne comme une formidable barrière de perméabilité. Cette forteresse de graisses, composée de lipides tels que les acides mycoliques, protège les mycobactéries des stress environnementaux et des réponses immunitaires de l'hôte. En raison de leur nature hydrophobe, les mycobactéries résistent aux méthodes de coloration traditionnelles, telles que la coloration de Gram, et sont classées parmi les organismes acido-alcoolo-résistants, la composition lipidique permettant aux mycobactéries de conserver la coloration primaire même après exposition à une décoloration acido-alcoolique. Cette propriété distinctive de coloration acido-alcoolique est cruciale pour leur identification au microscope. La barrière n'agit pas seulement comme un bouclier protecteur, elle influence également les interactions entre les mycobactéries et leurs hôtes, ce qui a un impact sur la pathogenèse et la virulence. La compréhension de la paroi cellulaire des mycobactéries est essentielle pour développer des outils de diagnostic et des traitements pour les infections mycobactériennes.

The Acid-Fast Cell Wall. Gary Kaiser, Biology LibreTexts