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"Les scientifiques espionnent la vie intérieure secrète des bactéries : de nouvelles images révèlent des structures mystérieuses à l’intérieur des microbes" par Tina Hesman Saey

Traduction et compléments de Jacques Hallard
mercredi 22 novembre 2017 par Hesman Saey Tina

ISIAS Biologie
Les scientifiques espionnent la vie intérieure secrète des bactéries : de nouvelles images révèlent des structures mystérieuses à l’intérieur des microbes, y compris des sortes de petites tours, des hameçons de pêche, des réseaux de voies ferrées et des fer-à-cheval
L’article d’origine de Tina Hesman Saey a été posté le 22 juin 2017 par Science News Microbiology sous le titre « Scientists spy on the secret inner life of bacteria  » ; il est accesible sur le site suivant : https://www.sciencenews.org/article/scientists-spy-secret-inner-life-bacteria


Vésicule dans la bactérie Halothiobacillus neapolitanus

SOUS LA PEAU - Les chercheurs ont découvert des structures mystérieuses, telles que ces compartiments à bulles appelés vésicules qui se situent entre la membrane cellulaire (cyan) et la paroi cellulaire (pourpre) de la bactérie Halothiobacillus neapolitanus (cryotomogramme, en haut ; reconstruction 3-D, en bas). M.J. Dobro / Journal of Bacteriology 2017.

[Selon Wikipédia, « Halothiobacillus neapolitanus est une bactérie halophile aérobie obligatoire à Gram négatif de l’ordre des Chromatiales. Il s’agit d’un microorganisme chimiolithotrope (en) qui tire son énergie métabolique de l’oxydation, par l’oxygène O2, de composés inorganiques soufrés en sulfates SO42–, et qui utilise le dioxyde de carbone CO2 comme source d’atomes de carbone. Halothiobacillus neapolitanus possède des carboxysomes, type de microcompartiments bactériens (en) qui contiennent de l’anhydrase carbonique et de la Rubisco, enzymes intervenant dans la fixation du carbone1… » Article complet avec notes et références sur https://fr.wikipedia.org/wiki/Halothiobacillus_neapolitanus ].

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À la surface, les bactéries peuvent sembler ordinaires. Mais il y a plus de choses à l’intérieur que l’œil ne le perçoit, comme les résultats de nouvelles recherches le révèlent.

Pendant de nombreuses années, les scientifiques pensaient que les bactéries n’avaient pas de structures internes et étaient essentiellement des ’sacs d’enzymes’, affirme Martin Warren, biologiste spécialiste au niveau cellulaire de l’Université du Kent en Angleterre.

Maintenant, un groupe de chercheurs a décrit une riche collection de structures et de compartiments mystérieux au sein des bactéries. Personne ne connaît la fonction de ces constructions, selon les chercheurs qui ont rapporté leurs travaux en ligne le 12 juin 2017 dans le ‘Journal of Bacteriology’, mais ils doivent être importants pour que les bactéries dépensent tellement d’énergie pour les construire.

Une équipe différente de scientifiques présente le premier regard à l’échelle atomique d’un micro-compartiment bactérien complet dans la revue Science du 23 juin 2017. Les structures compartimentées sont des coquilles de protéines que les bactéries utilisent pour garder à part certaines réactions chimiques distinctes : ces structures sont séparées du reste de la cellule. Le fait de savoir comment le micro-compartiment est assemblé pourrait avoir d’importantes applications en biotechnologie et en médecine, disent les chercheurs.

Sanctuaire

Les bactéries utilisent des coquilles de protéines appelées micro-compartiments pour concentrer des réactions chimiques importantes en un seul endroit. Maintenant, les chercheurs ont construit un modèle 3-D complet d’un micro-compartiment d’une bactérie d’eau salée appelée Haliangium ochraceum. Les structures hexagonales composées de la protéine BMC-H (en bleu dans la reproduction ci-dessous) et de la protéine BMC-T (en vert) se combinent avec des pentagones composés de protéines BMC-P (en jaune) pour créer la coquille. C’est la plus grande structure de protéines, outre les virus, que les scientifiques n’ont jamais vue avec une résolution au niveau atomique.

microcompartment from Haliangium ochraceum

Voir l’animation - Micro-compartiment de Haliangium ochraceum - Markus Sutter, MSU / LBNL

Les deux études décrites ci-dessus démontrent comment les bactéries sont vraiment complexes, dit Warren, qui n’était pas impliqué non plus dans ces recherches. « Ce sont tous les deux des travaux fantastiques. Si quelqu’un pensait que la microbiologie était plitôt ennuyeuse, ils devraient examiner tout cela avec attention ».

Depuis les années 1950, les biologistes savaient que les organismes cyanobactéries photosynthétiques fabriquaient des micro-compartiments appelés les carboxysomes *, qui abritent une importante enzyme de photosynthèse.

[* D’après Wikipédia, « Un carboxysome est un microcompartiment bactérien contenant des enzymes impliquées dans la fixation du carbone2. Ces organites sont formés d’une coque protéique polyédrique d’environ 80 à 140 nm de diamètre. On les trouve chez toutes les cyanobactéries et de nombreuses bactéries chimiotrophes qui fixent le CO23. On pense que ces compartiments permettent de concentrer le dioxyde de carbone autour de la Rubisco afin de favoriser l’activité carboxylase de cette enzyme limitante du cycle de Calvin, dont elle catalyse la première étape. Les carboxysomes appartiennent à un groupe plus vaste de microcompartiments protéiques aux fonctions variées mais aux structures semblables reposant sur l’homologie de deux familles de protéines qui en constituent la coque4 ».

« Les carboxysomes adoptent une géométrie en icosaèdre ou quasiment icosaédrique, typiquement de 80 à 120 nm de diamètre5. Ils possèdent une coque externe constituée de quelques milliers de sous-unités protéiques qui encapsulent de multiples exemplaires des deux enzymes de fixation du carbone : l’anhydrase carbonique et la Rubisco.

« La structure des protéines qui constituent la coque a été caractérisée par cristallographie aux rayons X6. La majorité d’entre elles forment un hexamère cyclique qui constitue le motif de base de la coque. Ces hexamères s’assemblent pour former des couches moléculaires denses qui constituent la coque externe. Des pores dans la structure pourraient permettre le passage des molécules de substratbicarbonate et ribulose-1,5-bisphosphate — et produit — 3-phosphoglycérate. Les résidus d’acides aminés chargés positivement présents dans les pores pourraient faciliter la diffusion de ces molécules de substrat et de produit, qui sont chargées négativement. Des protéines pentamériques pourraient quant à elles former les sommets de la coque icosaédrique5 ».

« Un certain nombre de capsides virales sont construites à partir de protéines hexamériques et pentamériques comme les carboxysomes, mais on ignore s’il existe une filiation entre les deux. Les molécules d’enzymes semblent s’agencer en couches concentriques à l’intérieur de la coque protéique7,8. Par ailleurs, la forme non icosaédrique de certains carboxysomes peut s’expliquer dans le cadre de la théorie élastique de coques minces hétérogènes9 ».

« Les travaux sur Halothiobacillus neapolitanus ont montré que des mutants dépourvus de Rubisco assemblent des coques vides de forme et de composition normales, ce qui suggère que la biogenèse des coques des carboxysomes et la séquestration de leur contenu enzymatique sont deux processus indépendants mais fonctionnellement liés. Il a également été montré que les carboxysomes de cette espèce s’accommodent de formes chimériques et hétérogènes de Rubisco et que c’est la grande sous-unité de la Rubisco qui détermine si l’enzyme est séquestrée dans des carboxysomes ou non10… » Article complet avec notes et références sur ce site : https://fr.wikipedia.org/wiki/Carboxysome ].

Environ 20 pour cent des bactéries - même celles qui ne font pas de photosynthèse - ont les gènes de fabrication de micro-compartiments similaires. Beaucoup de ces minuscules structures apparaissent uniquement lorsque les bactéries rencontrent certaines molécules qu’elles peuvent utiliser pour leur nourriture. Par exemple, certaines bactéries pathogènes forment des micro-compartiments pour les aider à digérer le mucus des intestins des êtres humains, dit Warren.

De nombreux chercheurs ont travaillé sur l’ingénierie des micro-compartiments pour fabriquer des médicaments, des produits chimiques industriels ou des biocarburants. Cela a été difficile parce que les scientifiques n’ont pas bien compris la construction de ces structures. Ils savaient que les protéines se sont rassemblées pour créer des unités pentagonales et hexagonales, mais ils ne savaient pas comment les sous-unités se formaient dans des sphères multicouches. « C’est comme jouer avec les blocs de construction de Lego, mais ne pas comprendre comment les éléments s’adaptent », déclare Danielle Tullman-Ercek, biologiste synthétique de l’Université Northwestern à Evanston, dans l’état de l’Illinois aux Etats-Unis.

En outre, les unités individuelles sont courbées, avec une coupe d’un côté et un renflement de l’autre, explique Michael Prentice, un microbiologiste médical travaillant à l’ ‘University College Cork’ en Irlande. Mais il n’était pas clair sur le fait de savoir si la coupe et le renflement étaient se loger à l’intérieur du micro-compartiment.

Maintenant, dans le document de ‘Science’, les chercheurs dirigés par la biologiste de la structure Cheryl Kerfeld ont utilisé une combinaison de cristallographie aux rayons X et de microscopie cryo-électronique pour examiner les micro-compartiments de la bactérie Haliangium ochraceum et pour répondre à ces questions. Les coupes couvrent l’extérieur des micro-compartiments, comme des fossettes sur une balle de golf, affirme Cheryl Kerfeld de l’Université d’État du Michigan, à East Lansing et au Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie. L’histoire continue après les illustrations

Structure rappelant le Tour Eiffel

appendages on Prosthecobacter debontii

Une bactérie d’eau douce appelée Prosthecobacter debontii expose sa surface avec des appendices ressemblant à de petites tours Eiffel. Un cryotomogramme * (encadré à gauche et supérieur gauche), un modèle 3-D de la vue latérale (droite, or) et la vue de dessus (or, insertion en haut à droite) de la structure sont affichés. Les scientifiques ne savent pas comment ces appendices complexes sont utilisés. Annexes sur Prosthecobacter debontii - M.J. Dobro / Journal of Bacteriology 2017.

[* Selon Wikipédia, « La cryotomographie électronique, ou tomographie cryoélectronique, est un type de cryo-microscopie électronique utilisant les techniques de tomographies pour obtenir la restitution tridimensionnelle à partir d’images bidimensionnelles d’un échantillon vu sous différentes inclinaisons aux températures cryogéniques atteintes par refroidissement à l’azote liquide, voire à l’hélium liquide. Une cryotomographie électronique peut permettre d’obtenir des détails sur des structures cellulaires complexes à des résolutions subnanométriques. Le signal de cryotomographie électronique est assez faible, avec un rapport signal sur bruit typiquement de 0,01. Compte tenu de la longueur d’onde des électrons, la résolution est théoriquement limitée à environ 5 nm, mais l’analyse de particules individuelles de subtomogrammes cryoélectroniques permet d’atteindre des résolutions de 1,5 à 3 nm1… » Article complet sur https://fr.wikipedia.org/wiki/Cryotomographie_%C3%A9lectronique ].

L’équipe de Cheryl Kerfeld a également constaté que les côtés des sous-unités peuvent se contourner les uns les autres, de bord à bord, pour faire des feuilles plates et qu’elles peuvent également s’accrocher dans un angle, faisant alors une surface incurvée. « Nous ne pouvions pas prédire tout cela », dit Cheryl Kerfeld. Certaines des sous-unités en forme d’hexagone s’accumulent les unes sur les autres, ce qui donne à la sphère un aspect irrégulier, ont révélé les chercheurs. L’équipe explore toujours comment l’orientation des sous-unités affecte la fonction du compartiment.

Les micro-compartements ne sont pas les seules structures mystérieuses à l’intérieur des bactéries. Au cours de la dernière décennie, le biologiste des structures cellulaires Grant Jensen, du Caltech (California Institute of Technology),et ses collègues, ont utilisé la cryotomographie électronique pour produire plus de 15.000 images de 88 espèces de bactéries. La technique implique une congélation rapide des cellules, si rapidement que les molécules d’eau ne peuvent pas former de cristaux. Les cellules sont préservées telles qu’elles sont dans la vie, ce qui permet aux chercheurs de voir ce à quoi elles ressemblent à l’intérieur.

L’équipe de Grant Jensen a trouvé des structures ressemblant à la Tour Eiffel, à des hameçons de pêche, à des fers à cheval, à des voies ferrées, à des filaments et à des maillages. De nombreux compartiments différents dans les cellules bactériennes ou entre la membrane cellulaire et la paroi cellulaire de la bactérie sont également apparus.

« Nous les découvrions plus rapidement que nous ne pouvions les identifier », dit Jensen. Son équipe a publié les images dans le ‘Journal of Bacteriology’ parce que « nous avons pensé qu’il serait préférable pour les progrès de la science de les montrer à tout le monde ». Il espère que le crowdsourcing * des images avec d’autres chercheurs aidera à résoudre les mystères de ces structures et ce à quoi elles servent.

[* D’après Wikipédia, « La production participative1, l’externalisation ouverte2 ou le crowdsourcing, est l’utilisation de la créativité, de l’intelligence et du savoir-faire d’un grand nombre de personnes, en sous-traitance, pour réaliser certaines tâches traditionnellement effectuées par un employé ou un entrepreneur. Ceci se fait par un appel ciblé (quand un niveau minimal d’expertise est nécessaire) ou par un appel ouvert à d’autres acteurs. Le travail est éventuellement rémunéré. Il peut s’agir de simplement externaliser des tâches ne relevant pas du métier fondamental de l’entreprise, ou de démarches plus innovantes. C’est un des domaines émergents de la gestion des connaissances. Il existe de nombreuses formes, outils, buts et stratégies du crowdsourcing3. Le travail peut être collaboratif ou au contraire s’effectuer purement en parallèle. Dans une approche économique, il peut s’agir de remplir une tâche au moindre coût, mais des approches plus collaboratives, sociales ou altruistes existent, faisant appel à des réseaux spécialisés ou au grand public. Certaines démarches de sciences participatives et sciences citoyennes l’utilisent, pour acquérir un plus grand nombre de données, à des échelles géographiques qui seraient autrement inaccessibles à des chercheurs insuffisamment nombreux ou ne pouvant faire preuve d’ubiquité (par exemple dans le domaine de l’astronomie ou des sciences environnementales). Le crowdsourcing peut être « actif » (des gens collaborent à trouver une solution à un problème) ou « passif » (on peut par exemple déduire du nombre de recherches sur un thème sur internet la popularité d’un sujet et en faire une information d’intérêt ; ex. : Google a « observé une relation étroite entre le nombre de personnes faisant une recherche sur le mot et le sujet « grippe » et le nombre de personnes ayant des symptômes grippaux ». Le nombre de recherches sur le mot grippe augmente en période d’épidémie et de la part des gens grippés4, ce qui peut intéresser les épidémiologistes ou l’OMS, en tenant compte aussi d’éventuels effets de buzz suscités par la médiatisation d’un sujet)… » Article complet sur de site : https://fr.wikipedia.org/wiki/Production_participative ].

Faisceaux de fibres hélicoïdales dans une bactérie océanique,Hyphomonas neptunium - Haut du formulaire

Annexes sur Prosthecobacter debontii M.J. Dobro / Journal of Bacteriology 2017.

bundles of helical fibers in an ocean bacterium, Hyphomonas neptunium

BUNDLE UP - Une bactérie océanique appelée Hyphomonas neptunium passe des faisceaux de fibres hélicoïdales à travers une tige de croissance. Les chercheurs pensent que ces faisceaux semblables à des voie ferrées peuvent être composés d’ADN super-enrouillé. M.J. Dobro/Journal of Bacteriology 2017

comma-shaped vesicle in a bacterium

ENMESHED IN MYSTERY Les bactéries en forme de virgules appelées Vibrio cholerae (certaines souches causant le choléra) font de longs filaments dans une sorte de maillage.

horseshoe-shaped vesicles in a bacterium

LUCKY CHARM (Certaines bactéries se plient aux membranes en vésicules en forme de fer à cheval, comme celle-ci de Ralstonia eutropha, une bactérie du sol et de l’eau qui aide à décomposer les produits chimiques pour la bioremédiation. M.J. Dobro/Journal of Bacteriology 20.

[Selon Wikipédia, « La bioremédiation consiste en la décontamination de milieux pollués au moyen de techniques issues de la dégradation chimique ou d’autres activités d’organismes vivants… » Article complet sur le site suivant https://fr.wikipedia.org/wiki/Biorem%C3%A9diation ].

flattened vesicles in a bacterium

STOCKAGE PLAT - Les bactéries Caulobacter Crescentus contiennent souvent des vésicules aplaties (vertes) enroulées autour des granulés de stockage (orange). M.J. Dobro/Journal of Bacteriology 201

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Citations

M. Sutter et al. Assembly principles and structure of a 6.5-MDa bacterial microcompartment shell. Science. Vol. 356, June 23, 2017, p. 1293. doi : 10.1126/science.aan3289.

M.J. Dobro et al. Uncharacterized bacterial structures revealed by electron cryotomography. Journal of Bacteriology. Published online June 12, 2017. doi:10.1128/JB.00100-17.

Further Reading – Lectures complémentaires

A. McDermott. Bacterial weaponry that causes stillbirth revealed. Science News. Vol. 190, October 1, 2016, p. 11.

M. Rosen. Some Crohn’s genes make cells deaf to messages from good gut bacteria. Science News. Vol. 189, June 11, 2016, p. 14.

S. Milius. Borrowed genes raise hopes for fixing ’slow and confused’ plant enzyme. Science News Online, September 19, 2014.

T. H. Saey. Marine microbes shed packets of DNA, nutrients. Science News. Vol. 185, February 8, 2014, p. 8.

http://www.isias.lautre.net/local/c...

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Traduction, compléments entre […] Haut du formulaire

et intégration de liens hypertextes par Jacques HALLARD, Ingénieur CNAM, consultant indépendant – 22/11
/2017

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