De quoi discutent les bactéries en Antarctique ?

Temps de lec­ture : 6 minutes

L’Antarctique est un milieu “extrême” pour de nom­breuses formes de vie. C’est notam­ment le cas pour les bac­té­ries qui doivent faire face aux tem­pé­ra­tures néga­tives et à la faible pré­sence en nutri­ments (matière orga­nique). Malgré la pré­sence impor­tante d’eau sous forme de glace, il s’a­git d’un envi­ron­ne­ment très aride. Les pré­ci­pi­ta­tions (pluies) sont très faibles et l’eau sous forme de glace n’est pas acces­sible pour les micro-orga­nismes. De plus selon la sai­son d’autres stress peuvent s’a­jou­ter aux micro-orga­nismes vivant en Antarctique. En effet, ils sont expo­sés aux rayons UV (ultra­vio­lets) émis par le soleil durant l’é­té polaire ou à l’ab­sence de lumière durant l’hi­ver polaire. Comment expli­quer l’adaptation des bac­té­ries à cet environnement ?

L’adaptation des bac­té­ries à cet envi­ron­ne­ment pour­rait s’ex­pli­quer par des phé­no­mènes de mobi­li­té, de for­ma­tion de bio­films, de syn­thèse de méta­bo­lites secon­daires par exemple. Ces méca­nismes sont sou­vent régu­lés par une com­mu­ni­ca­tion entre bac­té­ries. Cette “com­mu­ni­ca­tion” éga­le­ment appe­lée quo­rum-sen­sing leur per­met de syn­chro­ni­ser leurs actions pour les rendre plus efficaces.

Communication entre bactéries : quorum-sensing

Certaines bac­té­ries dis­posent d’un méca­nisme de com­mu­ni­ca­tion basé sur des signaux chi­miques appe­lé quo­rum-sen­sing (ou détec­tion de quo­rum en fran­çais). On peut com­pa­rer ces signaux chi­miques à des “mots” que s’é­changent les bac­té­ries. Le voca­bu­laire uti­li­sé pour le quo­rum-sen­sing se limite à un seul mot. Cette méthode de com­mu­ni­ca­tion ne per­met pas de longs mono­logues, des débats enflam­més ou des décla­ra­tions d’a­mour mais juste d’in­di­quer sa pré­sence à d’autres bactéries.

La com­mu­ni­ca­tion par quo­rum-sen­sing peut être com­pa­rée à un recen­se­ment auquel par­ti­cipent les bac­té­ries. Elles indiquent leur pré­sence pour esti­mer la taille de la popu­la­tion. Une fois que la popu­la­tion a atteint un cer­tain seuil, les bac­té­ries changent de com­por­te­ment pour entre­prendre des actions qui sont peu avan­ta­geuses en faible nombre. Par exemple pour une bac­té­rie patho­gène qui se trouve seule, il est peu ren­table de pro­duire une toxine pour infec­ter un humain. Par contre, une fois que la popu­la­tion de cette bac­té­rie sera suf­fi­sam­ment grande, l’in­fec­tion aura plus de pro­ba­bi­li­té de réus­site. La pro­duc­tion de la toxine sera alors plus avantageuse.

Mécanisme moléculaire du quorum-sensing

Le méca­nisme molé­cu­laire de quo­rum-sen­sing peut être divi­sé en trois étapes : la pro­duc­tion d’une molé­cule de com­mu­ni­ca­tion, sa détec­tion par une autre bac­té­rie et enfin un chan­ge­ment de comportement. 

Une fois que la molé­cule de com­mu­ni­ca­tion a été pro­duite, elle est libé­rée dans l’en­vi­ron­ne­ment autour de la bac­té­rie. À ce moment d’autres bac­té­ries peuvent détec­ter cette molé­cule. Une fois que la concen­tra­tion de la molé­cule de com­mu­ni­ca­tion (et donc la popu­la­tion bac­té­rienne) a atteint un cer­tain seuil, elle va être détec­tée via un récep­teur cel­lu­laire. Cette recon­nais­sance peut être com­pa­rée à une “clé” qui ouvre une “ser­rure”. Une fois lié avec la molé­cule le récep­teur va avoir un effet régu­la­teur au niveau de l’ADN pour chan­ger le com­por­te­ment de la bac­té­rie. Plusieurs méca­nismes cel­lu­laires peuvent ain­si être régu­lés par le quo­rum-sen­sing :

- viru­lence des bac­té­ries pathogènes

- for­ma­tion de bio­films (com­mu­nau­té de micro-orga­nismes fixés à une surface)

- pro­duc­tion de méta­bo­lites secon­daires (méta­bo­lites non essen­tiel à la croissance)

- pro­duc­tion de fla­gelles ou d’autres méca­nismes de mobilité

- échange d’ADN entre bac­té­ries (trans­fert conjugatif)

Un système complexe dans l’environnement

Le quo­rum-sen­sing repose sur un ensemble de molé­cules de com­mu­ni­ca­tions. Elles ont toutes le même rôle de “recen­se­ment” mais sont pro­duites et détec­tées par des espèces bac­té­riennes différentes. 

Le quo­rum-sen­sing peut ser­vir pour syn­chro­ni­ser le com­por­te­ment de bac­té­ries de la même espèce. Mais d’autres cas de figures sont pos­sibles dans des éco­sys­tèmes avec de nom­breux micro-orga­nismes dif­fé­rents. Certaines bac­té­ries vont com­mu­ni­quer entre elles en pro­dui­sant un type (ou plu­sieurs) de molécule(s) de quo­rum-sen­sing. D’autres bac­té­ries vont détec­ter des molé­cules de quo­rum-sen­sing et se syn­chro­ni­ser avec leur voi­sines mais sans pro­duire elles-mêmes de molécules.

Recherche du quorum-sensing chez des bactéries isolées du sol polaire

Une équipe de cher­cheurs Australiens a étu­dié des bac­té­ries pro­ve­nant du sol de l’Antarctique pour véri­fier l’hypothèse selon laquelle le quo­rum-sen­sing est un méca­nisme d’a­dap­ta­tion à cet envi­ron­ne­ment. Pour cela des pré­lè­ve­ments ont été effec­tués au niveau des col­lines Vestfold (zone non recou­verte par la glace ; aus­si appe­lée “val­lée sèche”). Un total de 25 souches bac­té­riennes ont pu être culti­vées dans les condi­tions de labo­ra­toire, en quan­ti­té suf­fi­sante, à par­tir d’é­chan­tillons de ce sol.

Détection des molécules de communication

Pour détec­ter la pro­duc­tion de molé­cules de quo­rum-sen­sing, une bac­té­rie dite “bio-indi­ca­trice” est uti­li­sée. Celle-ci est capable de détec­ter cer­taines molé­cules de com­mu­ni­ca­tion et de deve­nir fluo­res­cente en réponse à cet détec­tion. Il suf­fit donc d’ob­ser­ver si un signal fluo­res­cent appa­rait pour savoir si des molé­cules de quo­rum-sen­sing sont présentes. 

Pour une détec­tion plus pré­cise, une étape de sépa­ra­tion des molé­cules appe­lée chro­ma­to­gra­phie sur couche mince est réa­li­sée avant la détec­tion avec les bac­té­ries “bio-indi­ca­trice”. Cette étape per­met de sépa­rer des molé­cules en les fai­sant migrer le long d’un sup­port par l’ac­tion d’un sol­vant. Des extraits cel­lu­laires des bac­té­ries à tes­ter sont dépo­sés sur une plaque. Des témoins avec des molé­cules connues de quo­rum-sen­sing sont ajou­tés pour pou­voir com­pa­rer et iden­ti­fier celles pro­duites par les bac­té­ries de l’Antarctique.

Cette méthode a per­mis de confir­mer la pro­duc­tion de molé­cule de quo­rum-sen­sing chez 20 des 25 bac­té­ries tes­tées. L’étude a éga­le­ment per­mis d’i­den­ti­fier cer­taines des molé­cules de com­mu­ni­ca­tions appar­te­nant à la famille des homo­sé­rines lactones.

Perspectives de l’étude

La “com­mu­ni­ca­tion” entre bac­té­ries issues des sols de l’Antarctique a été confir­mée par cette étude. Par contre ce lan­gage et les condi­tions dans les­quelles il est appli­qué reste encore mys­té­rieux. Les pro­chaines étapes des recherches seront de confir­mer ces résul­tats et d’a­na­ly­ser plus en détails les méca­nismes régu­lés par cette communication.

Ce méca­nisme avait déjà été détec­té dans des envi­ron­ne­ments marins en Antarctique. Mais, cette étude est la pre­mière concer­nant les bac­té­ries du sol en Antarctique. Ces recherches ouvrent de nou­velles pistes pour com­prendre com­ment les bac­té­ries sur­vivent en Antarctique.

Référence de l’étude

Wong, S. Y., Charlesworth, J. C., Benaud, N., Burns, B. P., & Ferrari, B. C. (2019). Communication within East Antarctic soil bac­te­ria. Applied and Environmental Microbiology. doi:10.1128/aem.01968–19 (lien)

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Bibliographie com­plé­men­taire

Liu, J., Fu, K., Wu, C., Qin, K., Li, F., & Zhou, L. (2018). “In-Group” Communication in marine Vibrio : A Review of N‑acyl homo­se­rine lac­tones-dri­ven quo­rum Sensing. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 8. doi:10.3389/fcimb.2018.00139 (lien)

Mukherjee, S., & Bassler, B. L. (2019). Bacterial quo­rum sen­sing in com­plex and dyna­mi­cal­ly chan­ging envi­ron­ments. Nature Reviews Microbiology. doi:10.1038/s41579-019‑0186‑5 (lien)

Turner, J., Anderson, P., Lachlan-Cope, T., Colwell, S., Phillips, T., Kirchgaessner, A., Gareth J. Marshall G.J., King J. C., Bracegirdle, T., Vaughan, D. G., Lagun, V., & Orr, A. (2009). Record low sur­face air tem­pe­ra­ture at Vostok sta­tion, Antarctica. Journal of Geophysical Research, 114(D24). doi:10.1029/2009jd012104 (lien)