Il est actuellement estimé qu’il existe plusieurs millions d’espèces différentes sur Terre [1][2]. Malgré cette diversité, les biologistes ont pu classifier les êtres vivants parmi différentes catégories suivant la similarité des séquences d’ADN composant leur génomes. Trois grandes catégories, nommées “Domaine” existent (Figure 1). Dans les domaines des Eubactéries et des Archées, on trouve les Procaryotes. Ce sont des micro-organismes, pour la plupart unicellulaires, et ne disposant pas de noyau pour contenir leur génome – d’où leur nom (“pro”, avant et “karyon” noyau). Le dernier domaine est celui des Eucaryotes, où figurent notamment les champignons, les végétaux ou les mammifères comme l’Homme. Les Eucaryotes disposent d’un noyau pour contenir leur génome et peuvent former des organismes multi-cellulaires. On trouve également des micro-organismes chez les Eucaryotes, comme les levures qui sont des champignons unicellulaires.

Au cours de cet article, le mot ‘micro-organisme” est associé à tout organisme (uni- ou multicellulaire) non discernable à l’œil nu, appartenant à l’un des trois domaines du vivant. On les appelle communément “microbes” !

Figure 1: Quelque espèces sont ici classées. En fonction des différences entre leur génomes, les espèces sont plus ou moins distantes les unes des autres. L’ensemble forme un “arbre” où chaque extrémité de branche est une espèce: c’est un arbre phylogénétique. On peut y voir les trois Domaines: les Eubactéries, les Archées et les Eucaryotes. Vous remarquerez que les Eucaryotes et les Archées sont plus proches génétiquement par rapport aux Eubactéries ! L’arbre non modifié peut être observé en cliquant ici. Publication d’origine [3].

Sur Terre, les micro-organismes sont capables de coloniser tout type d’environnement. Leur exceptionnelle diversité a permit aux microbiologistes d’en “domestiquer” tout comme l’Homme a pu par le passé domestiquer des animaux sauvages comme le chien. Il en demeure que la grande majorité des micro-organismes n’est pas “domesticable” et donc non cultivable en laboratoire. La domestication de certaines espèces de microbes de bactérie, d’archées et de eucaryotes a joué un rôle essentiel dans l’étude de l’ensemble des micro-organismes. C’est également la domestication (d’abord non volontaire) de certains micro-organismes qui a permit à l’Homme de produire du pain, de l’alcool et autres yaourts via la fermentation [4]. Cela a permit également leur potentiel d’utilisation dans différents secteurs, comme en biologie de synthèse!

Par exemple, une des espèces bactériennes la plus utilisée en laboratoire est Escherichia coli (E. coli) (Figure 2). Cette bactérie fait notamment partie de notre flore intestinale. Il s’agit d’une espèce très facile à cultiver dans des milieux de culture de laboratoire. En 1997, le génome de E. coli a entièrement été séquencé [5]. Cela signifie que les microbiologistes ont accès à l’ensemble des séquences d’ADN qui composent le génome d’E. coli, rendant son étude plus facile, de même que sa manipulation génétique. L’éventail de connaissances acquises ces dernières années sur E. coli a notamment permis d’identifier et générer des centaines de souches diverses, un peu comme différentes variétés de carottes ! La facilité d’utilisation de E. coli et les connaissances gigantesques accumulées durant les dernières décennies sur cette bactérie en fond la “meilleure amie” du microbiologiste. Bien sur, il existe différentes souches d’E. coli dangereuses pour l’Homme (Comme E. coli O15:H7). Ces souches n’ont pas été “domestiquées” pour cette raison. Considérons ces souches comme un variété toxique de carotte !

Figure 2: Une image de cellules de E. coli obtenue par microscope. Source.

E.coli est ainsi un “organisme modèle”. L’étude des organismes modèles est essentielle pour comprendre d’autres espèces phylogénétiquement proche mais présentant un risque plus important (dut à leur pathogénicité), ou des cultures en laboratoires plus complexes. C’est la même logique qui dicte l’utilisation de la souris de laboratoire pour différents traitements plus tard réservés aux êtres humains.

D’autres modèles de bactéries ou archées comme Pseudomonas putida, Thermus thermophilus et Bacillus subtilis sont très appréciés en laboratoire. Les Prokaryotes étant très diversifiés, en avoir plusieurs modèles est très important pour comprendre un maximum d’espèces. Les micro-organismes Eucaryotes sont eux aussi très utilisés en laboratoire, comme les levures Saccharomyces cerevisiae ou Yarrowia lipolytica. Ils sont eux aussi des modèles d’étude très appréciés de part leurs facilités de culture et leur non pathogénicité. Ils permettent d’élucider le fonctionnement des cellules humaines ou d’autres champignons, pathogènes par exemple. Certains sont observables Figure 3!

Figure 3: Images microscopes de quelques micro-organismes modèles utilisés en laboratoire. L’ image de B. subtilis a été grossie 72300 fois. Une cellule de S. cerevisiae mesure à peu prêt 5 µm, un µm étant 1000 fois plus petit qu’un millimètre. L’échelle est similaire pour Y. lipolytica (la barre noire en bas à droite représente 10 µm). Sources: B. subtilis, S. cerevisiae, Y. lipolytica.

Les micro-organismes modèles sont idéaux pour la caractérisation de nouveaux circuits génétiques. Pour rappel, un circuit génétique est un ensemble de gène fonctionnant de concert pour générer un signal sortant en réponse à un signal entrant, tout comme un circuit électrique. De la même façon qu’il serait difficile d’évaluer un circuit électrique dans une machine (par exemple un ordinateur) que l’on connaît mal, l’évaluation d’un circuit génétique dans un micro-organisme mal connu est très compliquée. De plus, de nombreux circuits génétiques ont pu être élaboré en s’inspirant des circuits génétiques présents sur les génomes de nombreux organismes modèles. C’est le cas par exemple de “l’opéron lactose”, découvert dans les années 60 par les Français François Jacob et Jacques Monod chez…Escherichia coli ! [6]. Les organismes modèles sont donc d’une importance considérable en biologie de synthèse.

Résumons: les micro-organismes modèles sont utilisés de façon routinière en recherche et ont une très grande utilité pour l’avancée scientifique, qu’elle soit fondamentale ou appliquée. Malgré la connaissance grandissante que nous avons des comportements des micro-organismes modèles, nombre de leurs facettes nous sont encore inconnues. Par exemple, des 4623 gènes répertoriés dans le génome de E. coli, encore 1600 ont une fonction inconnue [7]!

Louise Fougère, Paul Lubrano & Victor Plet

Bibliographie:

[1] Mora C, Tittensor DP, Adl S, Simpson AGB, Worm B (2011) How Many Species Are There on Earth and in the Ocean? PLoS Biol 9(8): e1001127. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1001127

[2] Louca S, Mazel F, Doebeli M, Parfrey LW (2019) A census-based estimate of Earth’s bacterial and archaeal diversity. PLoS Biol 17(2): e3000106. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000106

[3] Ciccarelli et al., Toward Automatic Reconstruction of a Highly Resolved Tree of Life, Science, Vol 311, 3 March 2006

[4] Steensels et al., Domestication of Industrial Microbes, Current Biology 29, R381–R393, May 20, 2019

[5] Blattner et al., The Complete Genome Sequence of Escherichia coli K-12, Science, vol. 277, 5 september 1997

[6] François Jacob & Jacques Monod, Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins, J.Mol.Biol.(1961) 3, 318-35G

[7] Ghatak et al., The y-ome defines the 35% of Escherichia coli genes that lack experimental evidence of function, 2446–2454 Nucleic Acids Research, 2019, Vol. 47, No. 5