Un organisme locataire d'un autre – en biologie, cela fonctionne souvent plutôt bien. Des chercheurs de l'ETH Zurich ont maintenant découvert comment un tel partenariat de cellule dans une cellule peut s'établir.
L'endosymbiose est un phénomène biologique fascinant dans lequel un organisme vit à l'intérieur d'un autre. Une relation aussi inhabituelle est souvent bénéfique pour les deux parties. Même dans notre corps, nous trouvons des vestiges d’une telle cohabitation : les mitochondries, les centrales électriques de nos cellules, ont évolué à partir d’une ancienne endosymbiose. Il y a bien longtemps, les bactéries pénétraient dans d’autres cellules et y restaient. Cette coexistence a jeté les bases des mitochondries et donc des cellules des plantes, des animaux et des champignons.
Ce qui est encore mal compris, cependant, c'est comment apparaît réellement une endosymbiose en tant que mode de vie. Une bactérie qui se retrouve plus ou moins accidentellement dans une cellule hôte complètement différente traverse généralement une période difficile. Il doit survivre, se multiplier et être transmis à la génération suivante. Sinon, il s'éteint. Et pour ne pas nuire à l’hôte, il ne doit pas réclamer trop de nutriments pour lui-même et croître trop vite. Autrement dit, si l’hôte et son résident ne peuvent s’entendre, la relation prend fin.
Pour étudier les débuts d'une relation aussi particulière entre deux organismes, une équipe de chercheurs dirigée par Julia Vorholt, professeur de microbiologie à l'ETH Zurich, a initié de tels partenariats en laboratoire. Les scientifiques ont observé ce qui se passe exactement au début d’une éventuelle endosymbiose. Ils viennent de publier leur étude dans la revue scientifique Nature.
Faire respecter la cohabitation
Pour ces travaux, Gabriel Giger, doctorant au laboratoire de Vorholt, a d'abord développé une méthode pour injecter des bactéries dans les cellules du champignon Rhizopus microsporus sans les détruire. Il a utilisé E. coli bactéries d'une part et bactéries du genre Mycétohabitans de l'autre. Ces derniers sont des endosymbiontes naturels d'un autre Rhizopus champignon. Toutefois, pour l’expérience, les chercheurs ont utilisé une souche qui ne forme pas d’endosymbiose dans la nature. Giger a ensuite observé à la loupe ce qui est arrivé à la cohabitation forcée.
Après l'injection du E. coli bactéries, le champignon et la bactérie ont continué à se développer, cette dernière finalement si rapidement que le champignon a développé une réponse immunitaire contre la bactérie. Le champignon se protège des bactéries en les encapsulant. Cela a empêché la transmission des bactéries à la génération suivante de champignons.
Les bactéries pénètrent dans les spores
Ce n'était pas le cas avec l'injection Mycétohabitans bactéries : Pendant que le champignon formait des spores, certaines bactéries ont réussi à y pénétrer et ont ainsi été transmises à la génération suivante. « Le fait que les bactéries soient réellement transmises à la prochaine génération de champignons via les spores a constitué une avancée majeure dans nos recherches », explique Giger.
Lorsque le doctorant a laissé germer les spores contenant les bactéries résidentes, il a constaté qu'elles germaient moins fréquemment et que les jeunes champignons se développaient plus lentement que sans elles. « L'endosymbiose a initialement réduit la condition physique générale des champignons affectés », explique-t-il. Giger a poursuivi l'expérience sur plusieurs générations de champignons, en sélectionnant délibérément ceux dont les spores contenaient des bactéries. Cela a permis au champignon de récupérer et de produire des spores plus habitées mais viables. Comme les chercheurs ont pu le montrer grâce à des analyses génétiques, le champignon a changé au cours de cette expérience et s'est adapté à son résident.
Les chercheurs ont également découvert que le résident et son hôte produisaient des molécules biologiquement actives qui pourraient aider l'hôte à obtenir des nutriments et à se défendre contre des prédateurs tels que les nématodes ou les amibes. « Le désavantage initial peut ainsi devenir un avantage », souligne Vorholt.
Des systèmes fragiles
Dans leur étude, les chercheurs montrent à quel point les premiers systèmes endosymbiotiques sont fragiles. « Le fait que la condition physique de l'hôte diminue initialement pourrait signifier la disparition prématurée d'un tel système dans des conditions naturelles », explique Giger.
Pour que de nouvelles endosymbioses apparaissent et se stabilisent, il doit y avoir un avantage à vivre ensemble. »
Julia Vorholt, professeur de microbiologie à l'ETH Zurich
La condition préalable est que le futur résident apporte avec lui des propriétés favorisant l'endosymbiose. Pour l’hôte, c’est l’opportunité d’acquérir d’un seul coup de nouvelles caractéristiques en incorporant un autre organisme, même si cela nécessite des adaptations. « Au cours de l'évolution, les endosymbioses ont montré à quel point elles peuvent finalement réussir », souligne le professeur de l'ETH.
