Section 21 Organisation, expression, évolution des génomes. Bioinformatique et biologie des systèmes

III. Microbiologie

Avec une estimation de 5.1030 cellules, les procaryotes (bactéries et archaea) représentent le groupe le plus important sur la Terre. Ils ont la capacité de coloniser tous les environnements, même ceux qui peuvent nous sembler les plus hostiles à la vie comme les sources hydrothermales des fonds océaniques ou les déserts salés. Ces organismes présentent des propriétés métaboliques et phénotypiques d'une extrême diversité. L'analyse des communautés microbiennes par des techniques sans culture montre que les bactéries que nous savons cultiver ne représentent qu'une infime minorité des espèces bactériennes. Elles sont utilisées depuis le début des civilisations humaines pour la production des aliments ou le traitement des déchets. Les études récentes sur le microbiome humain ont révélé son rôle essentiel pour la santé qui l'apparente à un véritable organe (voir section 2). Les bactéries ont été étudiées depuis Pasteur et Koch pour leur capacité à provoquer des maladies chez l'homme, les animaux et les plantes. L'étude du monde bactérien présente donc des facettes multiples, cognitives et appliquées, et les équipes françaises ont su depuis de nombreuses années maintenir un niveau d'excellence en microbiologie moléculaire, qu'elle soit fondamentale, environnementale, biotechnologique ou infectieuse.

Les bactéries sont des modèles uniques d'étude moléculaire, de véritables micromachines sources d'innovations multiples en biologie moléculaire. Les enzymes de restriction en furent un des fleurons, la PCR un autre. Récemment, c'est le système CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) qui a ouvert de nouvelles méthodes dans l'ingénierie génomique. Ce mécanisme Lamarckien d'immunité bactérienne contre les phages et les plasmides conjugatifs est un sujet d'intenses recherches pour caractériser les mécanismes moléculaires de la capture de fragments d'ADN des cibles (immunisation) et de dégradation de ces éléments génétiques lors d'attaques ultérieures (immunité). Ce système est maintenant utilisé comme un outil de manipulation génétique puissant nécessitant uniquement l'expression d'une protéine (Cas9) et d'un ARN guide déterminant le site de coupure. CRISPR-Cas9 est utilisé pour répondre à des questions de recherche fondamentale pour de très nombreux organismes vivants et en vue d'application comme pour la thérapie génique.

La microbiologie est une discipline globale allant de la molécule à l'écosystème. Elle est l'objet d'études tant réductionnistes que systémiques. Par leur apparente simplicité, les microorganismes peuvent désormais permettre une recherche à plusieurs niveaux d'intégration du vivant. Les enjeux y sont à la fois cognitifs, pour le développement et la validation de méthodes qui sont ensuite appliquées à des systèmes plus complexes et finalement applicatifs afin d'améliorer des processus biotechnologiques. Ainsi, les mécanismes moléculaires sont-ils analysés au sein de la cellule par des méthodes d'imagerie à super résolution et par reconstitution des architectures moléculaires dans des systèmes in vitro reproduisant des paramètres cellulaires. De même, l'organisation et la dynamique du génome sont maintenant étudiées en combinant des approches génétiques, d'imageries et d'étude de la conformation in vivo du chromosome (Hi-C) basée sur le séquençage haut débit. Enfin, la diversité métabolique et leur capacité d'adaptation font des bactéries les systèmes les plus performants pour le développement d'une approche systémique et la modélisation des processus biologiques. La connaissance du métabolisme permet de redessiner les processus biologiques et d'en créer de nouveaux en combinant les analyses intégratives au génie génétique et à des expériences d'évolution contrôlée pour la sélection de nouveaux processus biologiques. Cette biologie synthétique permet de comprendre le fonctionnement d'une bactérie et est porteuse d'applications considérables dans la chimie de synthèse.

L'étude de la diversité phénotypique et génétique au sein d'une population bactérienne constitue un champ de recherche aujourd'hui accessible et en pleine expansion. L'hétérogénéité populationnelle appréhendée par les approches de cellule unique et d'imagerie offre un regard nouveau sur l'ensemble des processus classiquement étudiés, de la régulation de l'expression à la réplication via l'adaptation métabolique et bien évidemment dans les études des communautés bactériennes et dans les biofilms. Les bactéries ont développé des moyens de communication intercellulaires des plus simples, qui leur permettent de se compter (le quorum sensing), aux plus compliqués, faisant intervenir de véritables processus développementaux. Les biofilms sont des structures multicellulaires qui procurent des propriétés nouvelles de colonisation et de résistance. L'existence de cellules persistantes, récemment décrites, au sein de ces structures a de très fortes implications pour la compréhension de l'adaptation des bactéries aux conditions défavorables et la résistance aux antibiotiques.

Les développements méthodologiques en génomique, en imagerie, en métabolomique et en modélisation mathématique permettent aujourd'hui une approche intégrée des écosystèmes microbiens afin de caractériser les relations entre les espèces et les propriétés de ces communautés impliquant des réseaux de mutualisme par exemple trophique mais aussi d'antagonisme.

L'émergence de bactéries multi-résistantes combinée à la raréfaction de nouveaux agents anti-bactériens sur le marché font craindre le retour à une ère pré-antibiotique. Les protocoles de criblage à haut débit robotisé permettent le développement d'approches de « chemical genetics » visant à identifier des interactions entre drogues de manière génotype-dépendante et/ou espèce-dépendante. Véritable inventaire de combinaisons à grande échelle, ces nouvelles approches sont une source d'hypothèses et de questionnements nouveaux qui alimentent les approches mécanistiques de génétique moléculaire classique, créant un continuum salutaire entre approches globales et réductionnistes.