À première vue, l’eau légèrement trouble dans le tube ressemble à une boule d’eau de pluie, avec des feuilles, des débris et des fils encore plus clairs dans le mélange. Mais sur la boîte de Pétri, les minces fils ressemblant à des nouilles qui flottent délicatement au-dessus des restes de feuilles se révèlent être des cellules bactériennes individuelles, visibles à l’œil nu.
La taille inhabituelle est remarquable car les bactéries ne sont normalement pas visibles sans l’aide d’un microscope. “C’est 5 000 fois plus gros que la plupart des bactéries. Pour mettre les choses en contexte, ce serait comme si un être humain rencontrait un autre humain aussi grand que l’Everest”, a déclaré Jean-Marie Volland, un scientifique aux citations conjointes au Joint Department of Energy ( DOE) Institut du génome des États-Unis. (JGI). une installation utilisateur du DOE Science Office située au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et au Complex Systems Research Laboratory (LRC) à Menlo Park, en Californie. Dans le numéro du 24 juin 2022 de la revue Science, Volland et ses collègues, dont des chercheurs du JGI et du Berkeley Lab, du LRC, et de l’Université des Antilles en Guadeloupe, ont décrit les caractéristiques morphologiques et génomiques de cette bactérie à filaments géants ainsi comme leur cycle de vie.
Pour la plupart des bactéries, leur ADN flotte librement dans le cytoplasme de leurs cellules. Cette espèce bactérienne nouvellement découverte garde son ADN plus organisé. “La grande surprise du projet a été de réaliser que ces copies du génome qui s’étendent à travers la cellule sont en fait à l’intérieur d’une structure qui a une membrane”, a déclaré Volland. “Et c’est très inattendu pour une bactérie.”
Rencontres insolites dans la mangrove
La même bactérie a été découverte par Olivier Gros, professeur de biologie marine à l’Université des Antilles en Guadeloupe, en 2009. Les recherches de Gros portent sur les systèmes de mangroves marines, à la recherche de symbiotes soufrés oxydants dans les sédiments de mangroves riches en soufre. à proximité. de son laboratoire lorsqu’il a découvert la bactérie pour la première fois. “Quand je les ai vus, j’ai pensé” bizarre “”, a-t-il déclaré. “Au début, j’ai pensé que c’était juste une chose curieuse, des filaments blancs qui devaient s’être attachés à quelque chose dans les sédiments comme une feuille. Le laboratoire a fait des études de microscopie pendant les deux années suivantes et s’est rendu compte qu’il s’agissait d’un procaryote oxydant le soufre.
Silvina Gonzalez-Rizzo, professeur agrégé de biologie moléculaire à l’Université des Antilles et co-auteur principal de l’étude, a effectué le séquençage du gène ARNr 16S pour identifier et classer le procaryote. “Je pensais que c’étaient des eucaryotes, je ne pensais pas que c’étaient des bactéries parce qu’elles étaient si grosses avec apparemment tant de filaments”, se souvient-il de sa première impression. “Nous avons réalisé qu’ils étaient uniques parce qu’ils ressemblaient à une seule cellule. Le fait qu’ils soient un “macro” microbe était fascinant !”
“Elle a compris qu’il s’agissait d’une bactérie appartenant au genre Thiomargarita”, a noté Gros. “Il l’a appelé la Californie. Thiomargarita magnifica.”
“Magnifique parce que magnus en latin signifie grand et je pense que c’est magnifique comme le mot français magnifique”, a expliqué González-Rizzo. “Ce type de découverte soulève de nouvelles questions sur les morphotypes bactériens qui n’ont jamais été étudiés auparavant.”
Caractériser la bactérie géante
Volland s’est impliqué dans la bactérie géante Thiomargarita lorsqu’il est retourné au laboratoire de Gros en tant que boursier postdoctoral. Lorsqu’il a postulé pour le poste basé sur la découverte au LRC qui le verrait travailler au JGI, Gros lui a permis de poursuivre ses recherches sur le projet.
Au JGI, Volland a commencé à étudier la Californie. T. magnifica du groupe de cellules individuelles de Tanja Woyke pour mieux comprendre ce que faisait cette bactérie fixatrice de carbone et le soufre oxydé dans les mangroves. “Les mangroves et leurs microbiomes sont des écosystèmes importants pour le cycle du carbone. Si nous regardons l’espace qu’ils occupent à l’échelle mondiale, c’est moins de 1 % de la zone côtière mondiale. Mais quand vous regardez le stockage du carbone, vous constaterez qu’ils contribuent 10 à 15% du carbone stocké dans les sédiments côtiers », a déclaré Woyke, qui dirige également le programme microbien de JGI et est l’un des principaux auteurs de l’article. L’équipe a également été obligée d’étudier ces grandes bactéries à la lumière de leurs interactions possibles avec d’autres micro-organismes. “Nous avons lancé ce projet dans le cadre de l’orientation stratégique du JGI sur les interactions inter-organismes, car il a été démontré que les grandes bactéries soufrées sont des points chauds pour les symbiotes”, a déclaré Woyke. “Cependant, le projet nous a emmenés dans une direction très différente”, a-t-il ajouté.
Volland a relevé le défi de visualiser ces cellules géantes en trois dimensions et avec un grossissement relativement élevé. En utilisant diverses techniques de microscopie, comme la tomographie à rayons X durs, par exemple, il a visualisé des filaments entiers jusqu’à 9,66 mm de long et a confirmé qu’il s’agissait en fait de cellules individuelles géantes au lieu de filaments multicellulaires comme cela est habituel chez d’autres grandes bactéries soufrées. Il a également pu utiliser les installations d’imagerie disponibles au laboratoire de Berkeley, telles que la microscopie confocale à balayage laser et la microscopie électronique à transmission (TEM) pour visualiser plus en détail les filaments et les membranes cellulaires. Ces techniques lui ont permis d’observer de nouveaux compartiments membranaires contenant des amas d’ADN. Il a appelé ces organites “pépins”, d’après les petites graines du fruit. Les grappes d’ADN étaient abondantes dans les cellules individuelles.
L’équipe a découvert la complexité génomique de la cellule. Comme l’a noté Volland, “les bactéries contiennent trois fois plus de gènes que la plupart des bactéries et des centaines de milliers de copies du génome (polyploïdie) qui se propagent dans toute la cellule. Ensuite, l’équipe du JGI a utilisé la génomique unicellulaire pour analyser cinq des cellules bactériennes au niveau moléculaire. Ils ont amplifié, séquencé et assemblé les génomes. Parallèlement, le laboratoire de Gros a également utilisé une technique de marquage connue sous le nom de BONCAT pour identifier les zones impliquées dans les activités de fabrication de protéines, ce qui a confirmé que toutes les cellules bactériennes étaient actives.
“Ce projet a été une excellente occasion de démontrer comment la complexité a évolué dans certains des corps les plus simples”, a déclaré Shailesh Date, fondateur et PDG de LRC, et l’un des principaux auteurs de l’article. “L’une des choses que nous avons préconisées est que la complexité biologique doit être examinée et étudiée de manière beaucoup plus détaillée que ce qui est actuellement fait. Ainsi, les organismes que nous pensons être très, très simples peuvent avoir des surprises.”
Le LRC a financé Volland grâce à des subventions de la Fondation John Templeton et de la Fondation Gordon et Betty Moore. “Cette découverte révolutionnaire souligne l’importance de soutenir des projets de recherche fondamentaux et créatifs pour faire progresser notre compréhension du monde naturel”, a ajouté Sara Bender de la Fondation Gordon et Betty Moore. « Nous sommes impatients de savoir comment se caractérise la Californie. Thiomargarita magnifica remet en question le paradigme actuel de ce qui constitue une cellule bactérienne et fait progresser la recherche microbienne. »
Une bactérie géante, plusieurs questions de recherche
Pour l’équipe, caractérisant la Californie. Thiomargarita magnifica a ouvert la voie à plusieurs nouvelles questions de recherche. Parmi eux figure le rôle de la bactérie dans l’écosystème de la mangrove. “Nous savons qu’il pousse et prospère au-dessus des sédiments de l’écosystème de la mangrove dans les Caraïbes”, a déclaré Volland. “En termes de métabolisme, il fait de la chimiosynthèse, qui est un processus analogue à la photosynthèse chez les plantes. Une autre question ouverte est de savoir si les nouveaux organites appelés pépins ont joué un rôle dans l’évolution de la taille extrême de Thiomargarita magnifica, et si oui ou non les pépins sont présents dans d’autres espèces bactériennes. Il reste également à étudier la formation précise des graines et la façon dont les processus moléculaires se produisent et sont régulés à l’intérieur et à l’extérieur de ces structures.
Gonzalez-Rizzo et Woyke considèrent que la croissance réussie de bactéries en laboratoire est un moyen d’obtenir certaines des réponses. “Si nous pouvons conserver ces bactéries dans un environnement de laboratoire, nous pouvons utiliser des techniques qui ne sont pas réalisables pour le moment”, a déclaré Woyke. Big veut examiner d’autres grosses bactéries. “Vous pouvez trouver des images TEM et voir à quoi ressemblent les erreurs, alors peut-être que les gens les ont vues mais n’ont pas compris quoi…