Le biologiste évolutionniste Jay T. Lennon et son équipe ont étudié une cellule synthétique minimale dont 45 % des gènes ont été éliminés, la réduisant ainsi au plus petit ensemble de gènes nécessaires à une vie autonome. Malgré son génome réduit, l’équipe de Lennon a constaté que cette cellule minimale évoluait aussi rapidement qu’une cellule normale, démontrant ainsi la résilience inhérente à la vie.
Les scientifiques ont découvert qu’une cellule synthétique au génome réduit pouvait évoluer aussi rapidement qu’une cellule normale. Bien qu’elle ait perdu 45 % de ses gènes d’origine, la cellule s’est adaptée et a fait preuve de résilience lors d’une expérience en laboratoire qui a duré 300 jours, démontrant ainsi que l’évolution se produit même en présence de limites apparentes.
« S’il y a une chose que l’histoire de l’évolution nous a apprise, c’est que la vie ne sera pas contenue. La vie se libère. Elle s’étend à de nouveaux territoires et franchit les barrières douloureusement, voire dangereusement, mais… la vie trouve un moyen », a déclaré Ian Malcolm, le personnage de Jeff Goldblum dans Jurassic Park, le film de science-fiction de 1993 sur un parc abritant des dinosaures vivants.
Vous ne trouverez pas de Vélociraptors dans le laboratoire du biologiste évolutionniste Jay T. Lennon. Cependant, Lennon, professeur au département de biologie du College of Arts and Sciences de l’université de l’Indiana à Bloomington, et ses collègues ont découvert que la vie trouve effectivement un moyen de s’exprimer. L’équipe de recherche de M. Lennon a étudié une cellule minimale synthétisée qui a été dépouillée de tous ses gènes, à l’exception des gènes essentiels. L’équipe a constaté que la cellule rationalisée peut évoluer aussi rapidement qu’une cellule normale, ce qui démontre la capacité des organismes à s’adapter, même avec un génome non naturel qui semble offrir peu de flexibilité.
Micrographie électronique d’un amas de cellules minimales agrandi 15 000 fois. La bactérie synthétiquement rationalisée, Mycoplasma mycoides, contient moins de 500 gènes. Crédit : Image de Tom Deerinck et Mark Ellisman du National Center for Imaging and Microscopy Research de l’Université de Californie à San Diego.
« Il semble qu’il y ait quelque chose de vraiment robuste dans la vie », déclare Lennon. « Nous pouvons la simplifier à l’extrême, mais cela n’empêche pas l’évolution de se mettre au travail.
Pour son étude, l’équipe de Lennon a utilisé l’organisme synthétique Mycoplasma mycoides JCVI-syn3B, une version minimisée de la bactérie M. mycoides que l’on trouve couramment dans les intestins des chèvres et d’autres animaux similaires. Au cours des millénaires, la bactérie parasite a naturellement perdu un grand nombre de ses gènes, car elle a évolué en dépendant de son hôte pour se nourrir. Des chercheurs de l’Institut J. Craig Venter, en Californie, sont allés plus loin. En 2016, ils ont éliminé 45 % des 901 gènes du génome naturel de M. mycoides, le réduisant au plus petit ensemble de gènes nécessaires à une vie cellulaire autonome. Avec 493 gènes, le génome minimal de M. mycoides JCVI-syn3B est le plus petit de tous les organismes connus vivant en liberté. En comparaison, de nombreux génomes d’animaux et de plantes contiennent plus de 20 000 gènes.
Micrographie électronique d’un groupe de cellules minimales agrandies 15 000 fois. La bactérie synthétiquement rationalisée, Mycoplasma mycoides, contient moins de 500 gènes. Crédit : Image de Tom Deerinck et Mark Ellisman du National Center for Imaging and Microscopy Research de l’Université de Californie à San Diego.
En principe, l’organisme le plus simple n’aurait aucune redondance fonctionnelle et ne posséderait que le nombre minimum de gènes essentiels à la vie. Toute mutation dans un tel organisme pourrait perturber de manière mortelle une ou plusieurs fonctions cellulaires, ce qui limiterait l’évolution. Les organismes dont le génome est simplifié ont moins de cibles sur lesquelles la sélection positive peut agir, ce qui limite les possibilités d’adaptation.
Jay T. Lennon. Crédit : Photo de l’Université de l’Indiana
Bien que M. mycoides JCVI-syn3B puisse se développer et se diviser dans des conditions de laboratoire, Lennon et ses collègues voulaient savoir comment une cellule minimale réagirait aux forces de l’évolution au fil du temps, en particulier compte tenu des matières premières limitées sur lesquelles la sélection naturelle pourrait opérer ainsi que de l’apport non caractérisé de nouvelles mutations.
« Chaque gène de son génome est essentiel », déclare Lennon à propos de M. mycoides JCVI-syn3B. « On peut supposer qu’il n’y a pas de marge de manœuvre pour les mutations, ce qui pourrait limiter son potentiel d’évolution.
Les chercheurs ont établi que M. mycoides JCVI-syn3B présentait effectivement un taux de mutation exceptionnellement élevé. Ils l’ont ensuite cultivé en laboratoire où il a pu évoluer librement pendant 300 jours, ce qui équivaut à 2 000 générations bactériennes ou à environ 40 000 ans d’évolution humaine.
L’étape suivante a consisté à mettre en place des expériences pour déterminer comment les cellules minimales ayant évolué pendant 300 jours se comportaient par rapport au M. mycoides original, non minimal, ainsi que par rapport à une souche de cellules minimales n’ayant pas évolué pendant 300 jours. Lors des tests de comparaison, les chercheurs ont placé des quantités égales des souches évaluées dans un tube à essai. La souche la mieux adaptée à son environnement est devenue la souche la plus courante.
Ils ont constaté que la version non minimale de la bactérie l’emportait facilement sur la version minimale non évoluée. La bactérie minimale qui avait évolué pendant 300 jours s’est cependant beaucoup mieux comportée, récupérant effectivement toute l’aptitude qu’elle avait perdue en raison de la rationalisation du génome. Les chercheurs ont identifié les gènes qui ont le plus changé au cours de l’évolution. Certains de ces gènes sont impliqués dans la construction de la surface de la cellule, tandis que les fonctions de plusieurs autres restent inconnues.
Les détails de l’étude figurent dans un article récemment publié dans la revue Nature.
Référence : « Evolution of a minimal cell » par R. Z. Moger-Reischer, J. I. Glass, K. S. Wise, L. Sun, D. M. C. Bittencourt, B. K. Lehmkuhl, D. R. Schoolmaster Jr, M. Lynch et J. T. Lennon, 5 juillet 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06288-x
Roy Z. Moger-Reischer, doctorant dans le laboratoire de Lennon au moment de l’étude, est le premier auteur de l’article.
Comprendre comment les organismes dotés de génomes simplifiés surmontent les défis de l’évolution a des implications importantes pour des problèmes de longue date en biologie, notamment le traitement des pathogènes cliniques, la persistance des endosymbiontes associés à l’hôte, la mise au point de micro-organismes modifiés et l’origine de la vie elle-même. Les recherches menées par Lennon et son équipe démontrent la capacité de la sélection naturelle à optimiser rapidement la condition physique dans l’organisme autonome le plus simple, ce qui a des répercussions sur l’évolution de la complexité cellulaire. En d’autres termes, elles montrent que la vie trouve son chemin.