Découverte d’une « boussole vivante » qui bouscule
les frontières du monde microbien
Une bactérie magnétotactique géante qui s’oriente grâce au champ magnétique terrestre vient d’être découverte dans des sédiments côtiers de la Méditerranée, près de Marseille, par des chercheurs du BIAM et de plusieurs institutions françaises et européens1. Constituée d’environ 130 cellules organisées en structure collective et d’une taille exceptionnelle pour une bactérie, elle remet en question plusieurs principes établis en microbiologie. Cette découverte éclaire d’un jour nouveau la complexité du monde bactérien et apporte un modèle inédit pour comprendre l’émergence de la multicellularité au cours de l’évolution.
Jusqu’ici inconnu, un organisme fascine les biologistes, jusqu’à bouleverser leurs certitudes. Alors que la majorité des bactéries mesurent 1 à 2 micromètres, Magnetogigantoglobus mediterraneus atteint un diamètre moyen de 16 µm, soit presque 10 fois plus grande qu’une bactérie ordinaire. Il s’agit d’une entité sphérique, multicellulaire, et capable de s’orienter grâce au champ magnétique terrestre.
Derrière cette appellation savante se cache « une découverte qui bouscule la frontière, longtemps considérée comme nette, entre la relative simplicité des procaryotes [organismes dont les cellules ne possèdent pas de noyau
comme les bactéries] et la complexité organisationnelle des eucaryotes, dont les cellules comportent un noyau, à l’image des plantes ou des animaux », détaille Caroline Monteil, dernière autrice de la découverte et membre de l’équipe BEAMM au sein du BIAM.
Une boussole vivante dans la vase marine
Les bactéries magnétotactiques sont bien connues des microbiologistes. Ces microorganismes possèdent des magnétosomes, de minuscules cristaux magnétiques intracellulaires qui leur permettent de s’aligner sur le champ magnétique terrestre, à la manière d’une boussole. Ce dispositif leur offre un avantage précieux pour naviguer dans les gradients chimiques des sédiments.
Mais la nouvelle espèce décrite dépasse tout ce que l’on connaissait jusqu’ici. Avec un diamètre de 16 µm, elle atteint une taille inhabituelle pour une bactérie. Surtout, elle n’est pas constituée d’une seule cellule : l’organisme forme une sphère composée d’environ 130 cellules disposées autour d’un compartiment central acellulaire. « Le compartiment semble vide. Il est néanmoins possible que ce soit un lieu d’échanges de molécules entre cellules » suppose la scientifique qui poursuit, « l’ensemble fonctionne comme une entité coordonnée ».
Pour comprendre cet organisme exceptionnel, il a été nécessaire de combiner plusieurs disciplines en microbiologie, génomique, microscopie électronique et modélisation physique pour dresser un portrait complet de l’organisme, du nanomètre au génome. L’étude a été ainsi été pilotée par l’Institut de Biosciences et biotechnologies d’Aix-Marseille (BIAM), notamment avec le concours de l’Université de Göttingen, de Sorbonne Université et du Genoscope1.
Une découverte qui interroge l’évolution du vivant
L’enjeu scientifique dépasse la simple description d’une nouvelle espèce. « La multicellularité est généralement considérée comme une étape majeure de l’évolution, associée aux eucaryotes – plantes, animaux, champignons. Voir une bactérie adopter une organisation aussi structurée oblige à reconsidérer les trajectoires possibles du vivant », s’enthousiasme Elsa Turrini, doctorante et membre de l’équipe BEAMM au BIAM et première autrice de la découverte.
« Chez Magnetogigantoglobus mediterraneus, les chaînes de magnétosomes ne sont pas seulement présentes dans chaque cellule : leur organisation collective semble optimiser la réponse magnétique de l’ensemble. Autrement dit, l’orientation n’est plus uniquement individuelle, mais coordonnée à l’échelle du consortium cellulaire, pour l’aligner sur les lignes de champ magnétique de manière optimale, » poursuit-elle.
Les analyses génomiques révèlent par ailleurs de nombreux gènes spécifiques, dont certains pourraient être impliqués dans la cohésion cellulaire et la coordination fonctionnelle. Autant d’indices suggérant que des mécanismes sophistiqués d’interaction peuvent émerger chez des organismes que l’on pensait limités par leur architecture procaryote.
Des méthodes à la frontière des disciplines
Pour caractériser cet organisme, les chercheurs ont dû mobiliser une panoplie d’outils rarement réunis dans une même étude : micromanipulation et isolement d’individus uniques, microscopie électronique à haute résolution pour visualiser les magnétosomes, hybridation fluorescente (FISH), séquençage génomique complet, analyses phylogénétiques et modélisation des interactions magnétiques.
Le microscope confocal de dernière génération de la plateforme ZOoM2 a notamment permis de mettre en évidence la structure particulièrement complexe de cette bactérie géante et l’organisation des cellules au sein de la sphère. En parallèle, les analyses de bioinformatique réalisées par la plateforme BIC3 ont permis entre autres, de prédire de nouveaux gènes candidats impliqués dans la mise en place et le maintien de la multicellularité.
Enfin, le suivi du mouvement des cellules sous champ magnétique contrôlé a permis de démontrer expérimentalement l’efficacité de leur orientation collective. Cette approche intégrée illustre l’évolution contemporaine des sciences du vivant, de plus en plus transversales.
Explorer le vivant nourrit les applications futures
À court terme, la découverte relève d’abord de la recherche fondamentale. Néanmoins, les perspectives à long terme sont prometteuses. Les magnétosomes biologiques, synthétisés avec une précision remarquable par ces bactéries, pourraient inspirer la production de nanoparticules magnétiques pour des applications en nanotechnologie. En biomédecine, le ciblage magnétique pour l’imagerie ou certaines thérapies constitue un champ de recherche actif. En robotique, la capacité d’orientation autonome sous champ magnétique alimente déjà des travaux en microrobotique.
Enfin sur le plan environnemental, ces bactéries semblent impliquées dans les cycles biogéochimiques du carbone, du fer et du souffre au sein des sédiments marins. Leurs rôles exacts dans les chaînes trophiques demeurent toutefois encore mal compris. Des analyses génomiques suggèrent qu’elles pourraient participer à des dégradations de matières organiques complexes. « Approfondir nos connaissances permettra de mieux comprendre leur contribution aux équilibres chimiques essentiels à la vie marine », envisagent désormais les deux scientifiques.
REFERENCES
Auteurs : Elsa C.A. Turrini1, Christian Godon1, Marine Bergot1, Béatrice Alonso1, Sascha Lambert2, Emilie Gachon1, Nicolas Menguy3, Stéphanie Fouteau4, Stefan Klumpp2, Christopher T. Lefèvre1, Caroline L. Monteil1*
https://doi.org/10.1093/ismejo/wrag017
1 1Université Aix-Marseille, CNRS, CEA, BIAM, UMR7265 Institut de Biosciences and Biotechnologies d’Aix-Marseille, CEA Cadarache, F-13108 Saint-Paul-lez-Durance, France
2University of Göttingen, Institute for the Dynamics of Complex Systems – Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen, Germany
3Sorbonne Université, Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie (IMPMC) – UMR 7590 CNRS MNHN – 4, place Jussieu – BC 115 – 75252 Paris Cedex 5
4LABGeM, Génomique Métabolique, CEA, Genoscope, Institut François Jacob, CNRS, Université d’Évry, Université Paris-Saclay, Evry, France.
2 Plateforme technologique mutualisée du BIAM regroupant 7 équipements dédiés à l’imagerie du vivant, de l’échelle subcellulaire à l’organisme entier
3 Plateforme de biologie intégrative et computationnelle du BIAM. Il accompagne les scientifiques dans l’analyse des données omiques et développement d’outils et de bases de données en bioinformatique et biostatistiques.
Contact: caroline.monteil@cea.fr