Exploiter l’océan comme source de produits naturels

Les océans regorgent d’innombrables formes de vie, de la plus grande créature du monde – la baleine bleue – aux micro-organismes minuscules. En plus de leur grand nombre, ces micro-organismes sont également cruciaux pour assurer le bon fonctionnement de l’ensemble du système écologique et climatique. Par exemple, il existe des variétés photosynthétiquement actives telles que les cyanobactéries qui produisent environ 50 % de l’oxygène dans l’atmosphère. De plus, en éliminant le dioxyde de carbone de l’atmosphère, les micro-organismes contribuent à lutter contre le réchauffement climatique.

Malgré ce rôle important, la recherche sur la diversité des micro-organismes présents dans l’océan n’a jusqu’à présent été que rudimentaire. Ainsi, un groupe de chercheurs dirigé par Shinichi Sunagawa, professeur de recherche sur le microbiome, travaille en étroite collaboration avec le groupe de Jörn Piel pour étudier cette diversité. Les deux groupes travaillent à l’Institut de microbiologie de l’ETH Zurich.

Pour détecter de nouveaux produits naturels fabriqués par des bactéries, Sunagawa et son équipe ont examiné les données ADN accessibles au public de 1 000 échantillons d’eau prélevés à différentes profondeurs dans toutes les régions océaniques du monde. Les données provenaient de sources telles que des expéditions océaniques et des plates-formes d’observation positionnées en mer.

Grâce aux technologies modernes telles que l’analyse de l’ADN environnemental (eDNA), il est devenu plus facile de rechercher de nouvelles espèces et quels organismes connus peuvent être trouvés où. Mais ce que l’on sait à peine, c’est quels effets spéciaux les micro-organismes marins offrent – en d’autres termes, quels composés chimiques ils fabriquent qui sont importants pour les interactions entre les organismes. Dans le meilleur des cas, ces composés profiteraient également aux humains. La recherche repose sur l’hypothèse que le microbiome océanique recèle un grand potentiel pour les produits naturels qui pourraient s’avérer bénéfiques, par exemple pour leurs propriétés antibiotiques.

L’ADNe extrait présenté dans les échantillons a été séquencé par les chercheurs originaux des différentes expéditions. En reconstruisant des génomes entiers sur l’ordinateur, les scientifiques ont réussi à décrypter les informations codées – les plans des protéines. Enfin, ils ont consolidé ces nouvelles données avec les 8 500 ensembles de données génomiques existants pour les micro-organismes marins dans une seule base de données.

Cela leur a donné 35 000 génomes sur lesquels s’appuyer pour rechercher de nouvelles espèces microbiennes et, en particulier, des grappes de gènes biosynthétiques (BGC) prometteuses. Un BGC est un groupe de gènes qui fournit la voie de synthèse d’un produit naturel.

De nouvelles espèces et de nouvelles molécules découvertes

Dans ces données génomiques, les chercheurs ont détecté non seulement de nombreux BGC potentiellement utiles – environ 40 000 au total – mais également des espèces de bactéries jusque-là inconnues appartenant au phylum Eremiobacterota. Ce groupe de bactéries était connu pour n’exister que dans des environnements terrestres et ne présentait aucune diversité biosynthétique particulière.

Sunagawa et son équipe ont nommé une nouvelle famille de ces bactéries sous le nom d’Eudoremicrobiaceae, et ont également pu démontrer que ces bactéries sont communes et répandues : une espèce appartenant à cette famille, Eudoremicrobium malaspinii, représente jusqu’à 6 % de toutes les bactéries présentes dans certains zones de l’océan.

“Les parents dans l’océan possèdent ce qui, pour les bactéries, est un génome géant. Le déchiffrer complètement était techniquement difficile car les organismes n’avaient jamais été cultivés auparavant”, explique Sunagawa. De plus, la nouvelle bactérie s’est avérée appartenir au groupe de micro-organismes qui possède la plus grande diversité de BGC de tous les échantillons examinés. “Dans l’état actuel des choses, ils constituent la famille la plus biosynthétiquement diversifiée de la colonne d’eau océanique”, a-t-il déclaré. Les chercheurs ont examiné en détail deux BGC d’Eudoremicrobiaceae. L’un était un groupe de gènes contenant le code génétique d’enzymes qui, selon Sunagawa, n’avaient jamais été trouvés dans cette constellation dans un BGC bactérien auparavant. L’autre exemple examiné était un produit naturel bioactif qui inhibe une enzyme protéolytique.

La validation des expériences a créé une surprise

En collaboration avec le groupe dirigé par Jörn Piel, les chercheurs ont utilisé des expériences pour valider la structure et la fonction des deux produits naturels. Comme E. malaspinii ne pouvait pas être cultivé, l’équipe de Piel a dû greffer des gènes dans une bactérie modèle afin qu’ils servent de modèles pour les produits naturels. Cette bactérie produisait alors les substances correspondantes. Enfin, les chercheurs ont isolé les molécules des cellules, déterminé la structure et validé l’activité biologique.

Cela était nécessaire car dans un cas, l’activité enzymatique prédite par les programmes informatiques ne correspondait pas aux résultats des expériences. “Les prédictions informatiques sur les réactions chimiques qu’une enzyme déclenchera ont leurs limites”, explique Sunagawa. “C’est pourquoi de telles prédictions doivent être validées en laboratoire en cas de doute.”

Cela est une entreprise coûteuse et chronophage qui n’est tout simplement pas viable pour une base de données de 40 000 produits naturels potentiels. “Cependant, notre base de données a beaucoup à offrir, et les chercheurs sont accessibles à tous ceux qui souhaitent l’utiliser”, déclare Sunagawa.

Au-delà de la collaboration continue avec le groupe de Piel pour découvrir de nouveaux produits naturels, Sunagawa veut enquêter sur des questions non résolues dans l’évolution et l’écologie des micro-organismes océaniques. Il s’agit notamment de la manière dont les micro-organismes sont dispersés dans l’océan étant donné qu’ils ne peuvent se propager sur de grandes distances que de manière passive. Il veut également découvrir quels avantages écologiques ou évolutifs certains gènes créent pour les microbes. Sunagawa soupçonne les BGC de jouer un rôle majeur.

Source de l’histoire :

Matériel fourni par ETH Zurich. Original écrit par Peter Ruegg. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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