Une bactérie qui n'est pas un microbe !?

Publié le 16 janvier 2023 par Francois.Lombard@unige.ch

Une définition …définitive ou un modèle à transposer ?

Une bactérie qui fait plus d’un cm – pas franchement microscopique donc ! – qui a des dizaines de milliers de génomes enveloppés avec des ribosomes dans une petite membrane qui s’appelle en anglais pepin…

De quoi contrarier un enseignement déjà bien difficile… Et compliquer la transposition en classe où l’on aime bien des affirmations claires et définitives, faciles à tester et à inclure dans des exercices ou activités, et socialement reconnues (les parents et les collègues reconnaissent ces objets d’enseignement classiques), comme Chevallard (1991) l’a montré.
Mais cela pourrait plaire à ceux qui cherchent à mettre en évidence les limites des définitions, que ce soient des élèves au tempérament frondeur, ou des enseignants que l’exception fascine.

Très pertinent à l’enseignement d’une science qui avance, qui argumente, qui discute les limites de ses modèles sans les rejeter au premier contre-exemple.

C’est aussi un joli exemple qui rassurera les défenseurs de la biologie naturaliste : on publie encore sur la base de la découverte d’une nouvelle espèce… mais le coeur de l’article est la discussion des mécanismes sous-jacents, pas une simple description ajouteront d’autres :-)).  Joli débat en salle des maîtres de bio ?

Cette publication très synthétique pourra donner aux lecteurs de JTS de bonnes  bases pour discuter comment des phénomènes tels que la diffusion limitent la taille des cellules (bactériennes ici mais en général aussi) et par quelles structures ou mécanismes ces organismes les contournent.

Une synthèse qui pose bien les problèmes de taille des cellules et les mécanismes qui permettent de les résoudre.

Dans Science du 23 Juin 2022 (Levin,2022) ici, elle-même chercheure dans le domaine, nous offre une synthèse sur les enjeux et les mécanisme que la taille des très grandes bactéries posent. Partant d’une publication récente, elle écrit que «  Volland et al. (2022) publient l’identification d’une bactérie qui est ​​visible à l’œil nu.

Entre ∼0,4 et 3 µm3 de volume, la bactérie typique n’est visible qu’avec un microscope puissant. Selon la définition de la plupart des manuels, « un microbe est un organisme microscopique » . Les bactéries seraient donc par définition microbiennes, sauf quand elle ne le sont pas. En effet,Thiomargarita magnifica, d’une longueur de près de 1 cm, vit accrochée aux feuilles enfouies dans les eaux sulfureuses des forêts de mangroves de l’archipel de la Guadeloupe. « 
Traduction de Levin (2022) Jump-To-Science : donner envie d'accéder aux articles plutot que vulgariser encourage le lecteur à aller vérifier dans l’article d’origine : ici

Thiomargarita

Fig 1: Thiomargarita magnifica La grande vacuole de Thiomargarita magnifica est probablement remplie de nitrate et la fine couche de cytoplasme contient des granules de soufre, qui sont impliqués dans le métabolisme. Les synthases d’adénosine triphosphate (ATP) se localisent dans le réseau membranaire intracytoplasmique, augmentant fonctionnellement la surface disponible pour générer de l’ATP. Les «pépins» sont également intégrées dans le cytoplasme. Ces vésicules liées à la membrane sont le site de synthèse de l’ARN et des protéines et sont également observées dans les cellules filles qui bourgeonnent à partir de l’extrémité du filament.  [img]. Source : KELLIE HOLOSKI/SCIENCE Volland et al (2022).

Toujours selon (Levin,2022), ici, « cette découverte s’ajoute au groupe des grandes bactéries soufrées (LSB) et aide à comprendre les facteurs qui limitent la taille des cellules. Lorsque les cellules sont petites, le volume cellulaire est suffisant pour contenir le matériel génétique et la diffusion permet d’effectuer la biosynthèse de base pour la croissance et la prolifération. Pour les grandes cellules, la diffusion des molécules est probablement un défi majeur (Koch, 1996) (ici). Les petites molécules prennent une heure pour se déplacer de 1 mm par diffusion, ce qui rend l’acquisition des nutriments, la diffusion des signaux et l’élimination des déchets extrêmement difficiles à de grands volumes cytoplasmiques (Schulz,& Jorgensen, 2001) (ici). Le problème de taille n’est pas sans solution. Les cellules eucaryotes varient largement en taille, avec des volumes compris entre ∼1 et 1000 µm3. Pour les grandes cellules eucaryotes, le problème de la diffusion est résolu de multiples façons : des organelles spécialisées compartimentent les fonctions essentielles, notamment la transcription, la synthèse de l’adénosine triphosphate (ATP) et la sécrétion ; et les systèmes de transport déplacent efficacement les nutriments, les éléments constitutifs cellulaires et les déchets vers le bon endroit. Les bactéries ont également résolu le problème de la taille (Levin, & Angert, 2015) (ici).
Vivant dans un environnement riche en soufre,T. magnifica oxyde le sulfure d’hydrogène et réduit le nitrate ; le nitrate est susceptible d’être stocké dans une grande vacuole qui représente environ 75 % du volume cellulaire total. À cet égard, T. magnifica n’est pas sans rappeler d’autres LSB plus petits, en particulier Thiomargarita namibiensis (Schulz,et al. 1999) (ici). En tant que précédent détenteur du record pour les grandes bactéries (diamètre moyen ∼750 µm), 98 % du volume d’une cellule de T. namibiensis est occupé par une grande vacuole contenant du nitrate. »
Traduction de Levin (2022) Jump-To-Science : donner envie d'accéder aux articles plutot que vulgariser encourage le lecteur à aller vérifier dans l’article d’origine : ici
« Comment T. magnifica et d’autres bactéries géantes résolvent-elles le problème de diffusion ? La présence de la vacuole de nitrate dans les LSB est une partie de la réponse. Pressée contre l’enveloppe cellulaire par la vacuole, la couche cytoplasmique de T. magnifica n’a qu’environ 2 à 3 µm d’épaisseur, facilitant la diffusion et le transport des nutriments et d’autres molécules dans la cellule et l’exportation des déchets. En plus des granules de soufre nécessaires à la respiration, le cytoplasme contient un réseau complexe de membranes. La F1F0 ATP synthase, qui est responsable de la production d’ATP à partir d’un gradient de protons, se localise sur ce réseau, suggérant un autre mécanisme par lequel T. magnifica surmonte les défis associés à un rapport surface/volume inférieur. La polyploïdie est également importante pour surmonter les limites de diffusion (Levin, & Angert, 2015) (ici). Les génomes distribués permettent une transcription et une traduction localisées, éliminant ainsi le besoin de transporter des protéines sur de grandes distances pour répondre aux besoins biosynthétiques de base. Les grandes cellules métaboliquement actives sont généralement polyploïdes. Les glandes salivaires de Drosophila melanogaster contiennent des centaines de copies chromosomiques, tout comme certaines cellules végétales spécialisées. […]. On estime que T. magnifica contient environ 40 000 copies de son génome. Cependant, T. magnifica pousse la polyploïdie un peu plus loin que les autres LSB, emballant soigneusement son génome, ou peut-être ses génomes, dans des vésicules liées à la membrane réparties dans tout le cytoplasme. Ces compartiments (appelés pepins) contiennent non seulement de l’ADN mais aussi des ribosomes (voir la figure1). Avec des données indiquant qu’elles sont un site principal de synthèse des protéines, leur structure suggère que les pépines fonctionnent presque comme des organismes autonomes au sein de la plus grande cellule, effectuant une transcription et une traduction simultanées, comme cela est courant chez les bactéries. Réaffirmant l’importance des pépins dans le cycle de vie de T. magnifica, Volland et al. (2022) les ont également observés dans les cellules filles qui bourgeonnent à partir des extrémités de longs filaments, dans ce que les auteurs pensent être une forme de reproduction. Un métabolisme lent semble être une adaptation supplémentaire à la grande taille de T. magnifica. Les auteurs prédisent que T. magnifica nécessitera jusqu’à 2 semaines pour produire des cellules filles. L’étiquetage indique la présence de « points chauds » pour la synthèse des protéines à proximité des sites de constriction au niveau des pôles cellulaires, ce qui suggère un mécanisme pour diriger l’activité vers les sites de croissance et de différenciation. »
Traduction de Levin (2022) Jump-To-Science : donner envie d'accéder aux articles plutot que vulgariser encourage le lecteur à aller vérifier dans l’article d’origine : ici
« Alors que des biofilms (communautés bactériennes) se forment sur toute surface suffisamment grande pour supporter un microbe, la surface de T. magnifica est remarquablement vierge, malgré leur taille énorme. Alors que plus de 625 000 Escherichia coli pourraient tenir à la surface d’une seule cellule de T. magnifica, la microscopie électronique à balayage indique que leur surface est dépourvue de bactéries épibiotiques.
Les grappes de gènes biosynthétiques, dont beaucoup codent pour des synthases de peptides non ribosomiques et des synthases de polycétides, représentent environ 25 % du grand génome de 12 Mb de T. magnifica. Cette distribution rappelle les grappes de gènes biosynthétiques dans le génome des actinomycètes, qui sont une source majeure d’antibiotiques et de précurseurs d’antibiotiques. Ces grappes de gènes biosynthétiques – et en particulier leurs produits – fournissent une explication probable du manque d’organismes associés à la surface.
Comment une si grande bactérie régule la biosynthèse dans des régions subcellulaires spécifiques pour coordonner la croissance et le développement est un mystère. Les mécanismes qui contrôlent l’importation de métabolites et l’exportation de déchets, ainsi que les réponses au stress environnemental, restent opaques. Pour éclairer ces aspects et d’autres de la biologie de T. magnifica, il faudra développer des méthodes pour le cultiver en culture, ce qui n’a été réalisé que pour une petite fraction des espèces bactériennes en raison d’exigences de croissance fastidieuses et souvent insaisissables. Pourquoi ces organismes doivent être si gros est un autre problème tout aussi intrigant, bien que difficile. La question de savoir si T. magnifica représente la limite supérieure de la taille des cellules bactériennes est de nature plus philosophique. Cela semble peu probable et, comme l’a montré l’étude de Volland et al. (2022) illustre, les bactéries sont adaptables à l’infini et toujours surprenantes – et ne doivent jamais être sous-estimées. »
Traduction de Levin (2022) Jump-To-Science : donner envie d'accéder aux articles plutot que vulgariser encourage le lecteur à aller vérifier dans l’article d’origine : ici

Références:

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