Cet étrange organisme est Thiomargarita magnifica. La base du filament est fixée très solidement au substrat. Le tube lisse constitue une seule cellule. À l’extrémité, on aperçoit les cellules filles qui se sépareront bientôt. Image: Jean-Marie Volland
Visible à l’œil nu, étonnamment complexe, Thiomargarita magnifica est la plus grosse bactérie connue. Sa découverte récente ébranle les dogmes de la microbiologie.
Avec pour tout équipement un maillot, un masque de plongée, un tuba et de vieilles chaussures, le professeur de microbiologie marine Olivier Gros plonge régulièrement dans la mangrove en Guadeloupe. « J’y passe des heures, tranquille, à observer l’écosystème. Ça me repose de mes collègues ! dit en plaisantant le chercheur à l’Université des Antilles. L’avantage, ici, c’est qu’il n’y a aucun animal dangereux : pas de caïmans, de serpents, de requins ni de méduses… » Il ne craint que les huîtres, qui sont « très tranchantes ».
C’est là, à 20 minutes de bateau de son laboratoire, dans moins d’un mètre d’eau, qu’il aperçoit la première fois des filaments blancs mesurant d’un à deux centimètres, fixés à des feuilles submergées, en 2005. Il en prélève quelques-uns, « par curiosité ». De retour à Pointe-à-Pitre, capitale économique du département d’outre-mer français, il observe les créatures au microscope photonique, puis au microscope électronique. Il constate que leur surface est lisse, dépourvue de bactéries associées. Il croit alors avoir affaire à un champignon ou à un organisme « un peu bizarre, mais eucaryotes, vu sa taille ». Toutefois, lorsque l’équipe commence à examiner plus finement la structure de l’organisme : surprise ! Quand on le coupe, on ne trouve pas de noyau, pas de mitochondrie… Rien qui fasse penser à un organisme complexe, détaille Olivier Gros.
De minces filaments de Thiomargarita magnifica, photographiés près d’une pièce de dix cents américains. Thiomargarita – aucun lien avec le célèbre cocktail à base de tequila – signifie « perle de soufre » en latin. Le soufre, source d’énergie de cette bactérie, est dégagé par d’autres bactéries enfouies dans les sédiments. Image: Tomáš Tyml
La trouvaille n’a pas suscité d’engouement particulier au départ, selon son ancien étudiant Jean-Marie Volland, aujourd’hui rattaché au Joint Genome Institute du Lawrence Berkeley National Laboratory et au Laboratory for Research in Complex Systems, en Californie. « C’était un des nombreux trucs bizarres qu’il rapportait de la mangrove et qu’on étudiait dans le labo. » Les chercheurs étaient loin de se douter que le filament, qui s’est révélé être une bactérie, causerait l’émoi 17 ans plus tard dans la prestigieuse revue Science !
C’est qu’en théorie, les bactéries ne peuvent pas croître au-delà d’une certaine taille. Mais Thiomargarita magnifica – c’est son petit nom – défie tous les pronostics. Elle est 5 000 fois plus grosse qu’une bactérie ordinaire. « C’est comme si on rencontrait un humain aussi grand que le mont Everest » , illustre Jean-Marie Volland, qui signe, avec 19 collègues, l’article publié dans Science ce printemps.
Au fil des ans, de nouvelles observations, faites notamment par leur collègue Silvina Gonzalez-Rizzo, confirment qu’il s’agit d’une bactérie du genre Thiomargarita, déjà connu pour contenir des bactéries géantes, comme Thiomargarita namibiensis. Mais la magnifique est 50 fois plus imposante que cette dernière ! Puis, l’équipe démontre que chaque filament pourrait n’être constitué que d’une seule cellule.
Ouf. « Quand vous êtes en microbiologie et que vous devez annoncer détenir une cellule qui fait deux centimètres de long, vous avez intérêt à mettre ceinture et bretelles ! explique M. Gros. Les gens vont dire que ce n’est pas possible, qu’une bactérie ne peut pas être si grande… »
Et c’est ce qui arrive : l’équipe soumet la découverte à une revue scientifique vers 2015-2016, sans succès. Les évaluateurs jugent les preuves insuffisantes. Plusieurs années d’analyses poussées finiront par convaincre la communauté scientifique qu’on est bien face à un record. « Ils ont fait un travail fantastique » , commente Danny Ionescu, un spécialiste des bactéries géantes au Leibniz Institute of Freshwater Ecology and Inland Fisheries, en Allemagne.
Avec ou sans noyau ?
Les plantes, les animaux, les champignons et les protistes (des unicellulaires comme les amibes et les diatomées) sont des organismes eucaryotes. Leurs cellules contiennent un noyau (qui renferme l’ADN) et plusieurs organites – de petites structures spécialisées dotées de leur propre membrane : mitochondrie, vacuole, appareil de Golgi, etc.
À l’inverse, les bactéries et les archées sont procaryotes, c’est-à-dire dépourvues de noyau. Typiquement, leur génome flotte librement à l’intérieur de la cellule. Certaines bactéries possèdent aussi des organites.
Stratégies pour grossir
Les bactéries sont généralement petites, car dépourvues d’un système actif de transport de molécules chimiques : éléments nutritifs, signaux cellulaires ou déchets y circulent par simple diffusion, à un millimètre par heure. Cette lenteur ne pose aucun problème aux petites bactéries, mais c’est beaucoup trop lent quand on mesure deux centimètres… Thiomargarita magnifica y remédie grâce à une grosse vacuole centrale, une sorte de sac qui occupe 75% du volume de la cellule. Cela concentre les échanges hors du sac et sur de courtes distances dans une mince couche de liquide au pourtour de la cellule.
La géante se distingue aussi par la taille de son génome. Alors que les bactéries sont en général des organismes assez simples, celle-ci possède plus de gènes que certains champignons. Et, surtout, elle possède des tonnes de copies de ce génome : jusqu’à 700 000 par cellule ! (Nous, pauvres humains, n’en avons que deux.) « Ça lui permet d’avoir des gènes distribués dans l’ensemble de la cellule, pour fabriquer des protéines localement. Ainsi, elles sont disponibles rapidement partout » , explique Purificación López-García, chercheuse en biologie évolutive au Centre national de la recherche scientifique, en France, qui n’a pas participé à l’étude. Autre aspect étonnant, au lieu de flotter librement dans la cellule, l’ADN est rassemblé dans une multitude de petites poches lovées contre l’enveloppe de la cellule, que Jean-Marie Volland a nommées « pépins ».
De l’ADN stocké dans une membrane, voilà une première chez les bactéries. « Je trouve ça super intéressant », dit Yves Brun, professeur de microbiologie à l’Université de Montréal, qui n’a pas pris part à ces travaux lui non plus. Mais Purificación López-García n’est pas convaincue : « À mon avis, on verra que ce ne sont pas des compartiments fermés », prédit la chercheuse, qui croit qu’on a plutôt affaire à des invaginations (ou replis) de la membrane cellulaire.
« Pour l’instant, je ne peux pas vous affirmer que chaque pépin est indépendant du reste, admet Olivier Gros. Ça fait partie de ce qu’on veut déterminer dans l’année qui vient. On veut aussi examiner d’autres bactéries, chez qui nous avons repéré des structures qui nous font penser à des pépins. Si ça existe ailleurs, ça viendra vraiment chambouler les limites de la bactériologie. » Il faudrait alors réécrire les livres de biologie actuels, qui stipulent que l’ADN des procaryotes est libre dans la cellule…
La mangrove où vit la magnifique bactérie. Image: Olivier Gros
Source future d’antibiotiques ?
À la surface des bactéries croissent souvent… d’autres bactéries. Et notre géante est si grosse qu’une seule cellule pourrait héberger plus de 600 000 bactéries Escherichia coli ! Pourtant, observée au microscope, sa surface est étrangement lisse. Par quel mécanisme est-ce possible ? « Soit sa surface empêche les autres bactéries d’y adhérer… soit elle sécrète des antibiotiques », avance Yves Brun. On sait déjà que certaines bactéries produisent des antibiotiques pour lutter contre d’autres bactéries. « Mais les gènes de Thiomargarita sont assez différents, ce qui suggère un potentiel de découverte de nouveaux antibiotiques. »
Cela ne mènera peut-être jamais à un produit commercial, mais cette piste éventuelle démontre toute l’importance de la recherche fondamentale, dit Yves Brun.
Une erreur de l’évolution ?
Mais pourquoi Thiomargarita magnifica est-elle si grosse ? Après tout, l’environnement est peuplé en majorité de petites bactéries qui croissent et se reproduisent très rapidement… A-t-on simplement affaire à une erreur de l’évolution, avec une bactérie qui aurait appris à vivre ainsi, ou y a-t-il un mécanisme qui l’aurait poussée à croître ? Pour le découvrir, et percer le secret des pépins, il faudra réussir à faire pousser la géante en laboratoire.
Car, jusqu’à maintenant, Olivier Gros doit repartir régulièrement en plongée pour récolter de nouveaux échantillons. Mais la pêche n’est pas toujours bonne : la géante va et vient au gré des fluctuations de l’écosystème, restant parfois introuvable pendant des mois ! Est-ce une question de salinité, de température, de turbidité, de disponibilité des nutriments ? « On l’ignore ! » lance avec résignation le chercheur. Comment, alors, assurer les conditions parfaites pour une culture en laboratoire ?
On sait que Thiomargarita magnifica se nourrit par chimiosynthèse. Ce processus ressemble à la photosynthèse des plantes, mais, à la place de la lumière, ce sont des molécules chimiques qui servent de source d’énergie. Dans le cas de la magnifique bactérie, le sulfure d’hydrogène et l’oxygène sont vitaux. « Mais dans le milieu de culture, on ne peut pas les mélanger, car ils réagissent chimiquement l’un avec l’autre et, du coup, ils disparaissent ! » souligne Jean-Marie Volland. Le chercheur a donc conçu de petits aquariums dans lesquels il injecte les deux en continu. Une manière de reproduire le milieu de vie très spécifique de ce microorganisme : les quelques centimètres d’eau riche en oxygène juste au-dessus des sédiments qui dégagent le sulfure d’hydrogène.
« Pour l’instant, on arrive à faire pousser de petits bouts de filaments, puis on les perd et on recommence », explique le chercheur, loin de se décourager. Son problème n’a rien d’unique : si on sait généralement bien cultiver les bactéries pathogènes pour l’humain, moins de 0,1% des bactéries présentes dans les écosystèmes sont cultivables. « Nous sommes généralement assez mauvais pour deviner ce dont les bactéries ont besoin, se désole Danny Ionescu. Et souvent, nous essayons de les cultiver seules, alors qu’elles vivent en communautés et s’entraident. Il est très difficile de reproduire ce réseau de collaboration bactérien. »
Des géantes ailleurs ?
Peut-on s’attendre à d’autres découvertes de bactéries géantes dans les prochaines années ? C’est fort possible. « Jusqu’ici, on les trouve dans des environnements riches en nutriments, donc c’est là que je chercherais », dit Danny Ionescu. Mais le chercheur prédit aussi qu’on pourrait en trouver… dans la littérature scientifique ! « Certains microorganismes décrits il y a des décennies ont été considérés à tort comme des protistes en raison de leur grande taille, jusqu’à ce que l’analyse génétique démontre qu’il s’agissait en réalité de bactéries. Il y a peut-être d’autres cas du genre »,
explique-t-il. Plus récemment, beaucoup de nouvelles bactéries ont été découvertes par séquençage génétique, mais n’ont jamais été observées au microscope – seule manière de connaître leur taille.
Jean-Marie Volland établit un parallèle avec les virus, d’abord découverts à la fin du 19e siècle. « Il y a une vingtaine d’années, une équipe a découvert l’existence de virus géants, plus gros que certaines bactéries. Et depuis, on en trouve absolument partout : dans le corps humain, la mer, le sol… On les avait ignorés jusque-là parce qu’on était convaincu qu’un virus était toujours minuscule ! »
On ne trouve que ce que l’on cherche, pense Olivier Gros. « C’est important d’être curieux et d’avoir l’esprit ouvert. Et il ne faut pas avoir peur d’aller sur le terrain, de prendre son temps, d’observer la vie. » Sortons nos maillots, les eaux chaudes et claires de la mangrove nous appellent. Et gare aux huîtres !
Trop grosse pour les microscopes !
Le problème, pour qui veut étudier la plus grosse bactérie du monde… c’est qu’elle est trop grosse pour être vue en entier au microscope ! « Ce fut très stimulant de trouver des façons de maintenir et de préserver cette cellule en entier sans qu’elle s’abîme, puis de l’observer à fort grossissement. On a fait des panoramas avec plusieurs images rassemblées, jusqu’à 300 dans certains cas », dit le biologiste Jean-Marie Volland.
L’équipe a aussi utilisé la tomographie par rayons X, « une technique qui, à ma connaissance, n’a jamais été utilisée pour observer des bactéries », précise M. Volland. La bactérie a été immobilisée grâce à un gel placé dans un tube de plastique, puis patiemment photographiée sous tous ses angles. Les milliers de photos générées ont ensuite été assemblées par ordinateur pour former une reconstitution complète en 3D.
