Section 20 Biologie moléculaire et structurale, biochimie

VI. Micro-organismes unicellulaires et virus, biodiversité, relations hôtes-pathogènes et évolution

Les microbes sont des modèles de choix pour décrypter tant les modules de bases du fonctionnement cellulaire (protéines, complexe, ARN, lipides...) que la structure de machineries cellulaires universelles ou les interactions et les réseaux. Ces modèles ont longtemps été étudiés pour leur simplicité par comparaison au modèle eucaryote. Toutefois, la diversité des organismes et des métabolismes ou l'idée que leur comportement au sein d'une communauté constituerait le prélude aux interactions cellulaires existant chez les eucaryotes, font de ces systèmes des outils de choix pour comprendre l'organisation du vivant, son fonctionnement et son évolution.

Enfin, ces organismes issus de la biodiversité sont une source d'innovations technologiques, qu'il s'agisse des molécules extraites d'organismes se développant dans les milieux extrêmes ou encore du fait de leur métabolisme, qui ont des applications dans le domaine de la remédiation, de la lixiviation ou encore de l'énergie.

A. Micro-organismes unicellulaires et biodiversité

En quelques décennies, toutes les nouvelles approches « omiques » (génomique, protéomique, métabolomique, etc.) et la résolution de structures de macromolécules isolées ou en complexes ont permis une explosion de nos connaissances du monde des micro-organismes. L'essentiel de nos connaissances fondamentales en microbiologie a pour origine des études réalisées en mode de vie planctonique. Or les micro-organismes « vivent » en communautés parfois attachées aux surfaces, appelées biofilms, ou encore pour coloniser un habitat, ou par exemple pour effectuer la dégradation de la biomasse. Toutefois, à l'heure actuelle, l'étude d'une communauté microbienne dans son ensemble reste très embryonnaire et la compréhension parfaite de son fonctionnement est limitée. La métagénomique a permis l'accès aux génomes entiers de bactéries non cultivées et d'avoir une vision plus globale de la diversité génétique présente au sein d'une communauté entière. Néanmoins, le séquençage de plusieurs centaines de génomes bactériens et l'annotation des gènes a surtout permis la prédiction fonctionnelle des gènes. Il reste un travail considérable en études fonctionnelles, structurales et métaboliques pour confirmer ces prédictions et comprendre le rôle de ces gènes dans les processus biologiques de ces organismes, l'impact environnemental sur leur expression, mais également pour comprendre les interactions entre bactéries et leurs conséquences sur leur métabolisme. La structuration et le comportement bactérien dans des biofilms sont probablement le comportement communautaire qui est le plus étudié. Ces associations denses et structurées de micro-organismes entourés d'une matrice extra-cellulaire (exopolysaccharides, ADN, protéines) permettent aux organismes de résister à de nombreux stress environnementaux et ont souvent un rôle néfaste dans des environnements industriels ou médicaux. L'intérêt grandissant porté aux biofilms cette dernière décennie est lié à l'inefficacité des méthodes conventionnelles de lutte antimicrobienne sur ces structures. Une meilleure compréhension de l'écologie des biofilms et des mécanismes d'adhésion est probablement un des grands défis de la microbiologie.

B. Micro-organismes unicellulaires et relations hôtes-pathogènes

Il est important également de s'intéresser aux relations hôtes/pathogènes/environnement. Aucun organisme n'échappe à l'interaction avec son environnement qui est une source d'adaptation et d'évolution. Dans le cadre médical, avec l'accélération alarmante de l'apparition de souches multirésistantes aux antibiotiques qui laisse présager un manque frappant d'antibiotiques efficaces dans un futur proche, les relations hôtes-pathogènes restent un enjeu majeur pour le développement de stratégies thérapeutiques et vaccinales. La compréhension au niveau moléculaire des mécanismes infectieux constitue un outil puissant pour la mise en place d'approches thérapeutiques et préventives ciblées. Mais l'étude d'un agent pathogène et de son hôte a souvent été réduite aux seules relations entre ces deux partenaires, alors que cet hôte est en interaction avec plusieurs autres micro-organismes qui peuvent être pathogènes ou non. Ainsi, le multi-parasitisme devrait être considéré dans les interactions hôte/pathogène.

Un autre domaine en très rapide évolution est l'étude du microbiote humain défini comme l'ensemble des espèces microbiennes (plus de 500) colonisant durablement un individu dans les premières années de sa vie et représentant plus de 10 fois le nombre de cellules de l'organisme humain. Le microbiote, spécifique à chaque individu, varie en fonction de facteurs environnementaux (nutrition, antibiotiques, hygiène) et est dynamique au cours de la vie. Ces relations hôte/microbiote commencent à être explorées et révèlent une complexité considérable. Ces interactions sont très largement supérieures à celles des interactions hôte-pathogène et pourront, très probablement, également apporter de nouvelles approches thérapeutiques.

C. Virus et évolution

Même s'ils ne sont pas considérés comme des micro-organismes vivants, les virus sont étroitement associés aux processus d'évolution car ils doivent utiliser un hôte pour se répliquer. La balance des interactions entre le virus et son hôte détermine les capacités de survie de chaque entité.

L'évolution des virus à ARN et des rétrovirus est particulièrement rapide et ces virus existent sous forme de quasi-espèces. Cette propriété a des conséquences importantes pour le contournement des défenses immunitaires et l'émergence de virus résistants aux traitements antiviraux. L'étude de l'évolution des virus et des conséquences de l'existence des quasi-espèces doit permettre de mieux appréhender les menaces qu'ils représentent pour la santé publique. Les virus capables de zoonoses fréquentes (par exemple les virus influenza A, qui passent des oiseaux aquatiques à certains mammifères) et ceux transmis par l'intermédiaire d'un vecteur (par exemple les arbovirus) représentent des cas particulièrement importants, car ils évoluent à des vitesses différentes dans leurs différents hôtes.

Les récentes découvertes sur les virus géants nucléocytoplasmiques à ADN (NCLDV) montrent qu'un génome viral comme celui des Pandoravirus peut comporter plus de gènes qu'un petit génome eucaryote. Elles posent la question d'un mode d'évolution réductrice chez ces virus. La connaissance du génome viral doit être complétée par celle du protéome et de l'interactome et l'observation du cycle viral peut mener à des découvertes surprenantes. L'étude d'un NCLDV a récemment fait apparaître le concept de virophage, un virus infectant un autre virus. Il est donc primordial de poursuivre l'étude de la virosphère, tant pour prévenir les risques d'épidémie virale que pour mieux comprendre les origines de la vie.

D. Virus et technologie

Des progrès technologiques majeurs sont souvent liés à des avancées significatives de nos connaissances sur les virus. Les premiers essais de laser X à électrons libres ont permis d'obtenir des images inédites d'un NCLDV (le mimivirus) à la résolution du nanomètre. La cryo-microscopie électronique permet maintenant de déterminer la structure atomique d'un bactériophage sans nécessité de cristallisation. La spectroscopie de fluorescence permet d'apprécier la compacité de l'ADN génomique dans ces mêmes virus. La RMN du solide s'avère pleinement appropriée pour étudier la dynamique d'assemblage d'une capside virale, comme celle du VIH-1. Enfin, l'amélioration des techniques de tomographie permet d'observer en détails les virus in situ dans les cellules infectées. La poursuite des avancées technologiques permettant d'explorer les cycles viraux est donc indispensable pour améliorer les connaissances en virologie fondamentale et appliquée.