Les virus qui infectent les bactéries, appelés bactériophages, pourraient être utilisés de manière ciblée pour lutter contre les maladies bactériennes. Ils jouent également un rôle écologique important dans les cycles biogéochimiques mondiaux. Des recherches récentes menées par des chercheurs de l'Université de Kaiserslautern-Landau (RPTU) ont identifié un gène métabolique auxiliaire jusqu'alors inconnu dans les phages aquatiques, élargissant ainsi considérablement la compréhension antérieure de ces prédateurs bactériens.
Les phages sont des virus qui s'attaquent exclusivement aux bactéries. L’objectif de nombreux scientifiques est d’en savoir plus sur ces minuscules unités réplicatives mesurant entre 20 et 300 nm (un cheveu a 80 000 nm d’épaisseur).
Si nous comprenons les détails de la façon dont les phages finissent par infecter et tuer les bactéries, nous pourrons peut-être à l’avenir les utiliser spécifiquement contre les bactéries nocives. »
Professeur Nicole Frankenberg-Dinkel du RPTU
L'équipe de microbiologie étudie les différentes stratégies utilisées par les phages pour transformer les bactéries en « usines » destinées à leur réplication, c'est-à-dire la production de centaines de nouveaux phages. « Nous sommes particulièrement intéressés par les habitats aquatiques, en particulier les océans et les lacs, car les phages sont présents en grand nombre et jouent un rôle écologique important dans le recyclage des nutriments. »
L'objectif à long terme de la recherche sur les bactériophages n'est pas seulement d'appliquer la phagothérapie pour lutter contre les « mauvaises » bactéries responsables de maladies, mais aussi, en s'en tenant aux habitats aquatiques, d'aborder le rôle écologique des phages dans les cycles nutritionnels mondiaux. Les phages jouent un rôle écologique crucial dans les environnements aquatiques en contrôlant les populations bactériennes, en maintenant la diversité microbienne et en influençant le cycle des nutriments par le biais de processus tels que le shunt viral. Ils pilotent également l’évolution microbienne en favorisant le transfert horizontal de gènes – transmission d’un organisme à un autre plutôt que, comme c’est généralement le cas, de génération en génération – et en exerçant une pression sélective sur les bactéries.
Dans une étude récente, l'équipe de Frankenberg-Dinkel – en collaboration avec des chercheurs d'Israël, des Pays-Bas, de Tübingen et de Stechlin/Potsdam – a analysé le matériel génétique des phages provenant d'échantillons environnementaux à l'aide de la bioinformatique. « Normalement, ce matériel génétique contient principalement les informations nécessaires à la production de nouvelles particules de phages. Les phages utilisent ensuite les bactéries comme usines. » Cependant, les chercheurs ont également découvert des « gènes métaboliques auxiliaires » dans le matériel génétique du phage. Ces gènes auxiliaires proviennent à l’origine de bactéries et ont été autrefois détournés par les phages. Ils ne sont pas nécessaires à l'assemblage de nouvelles particules de phage, mais servent plutôt à « reprogrammer » l'hôte, à savoir la bactérie, lors d'une infection par un phage.
« Dans notre étude, nous avons découvert un gène métabolique auxiliaire jusqu'alors inconnu dans les phages », explique Frankenberg-Dinkel, expliquant ses derniers résultats. «Nous avons pu montrer que ce gène code pour une protéine active importante pour la biosynthèse des « pigments de la vie ».» Les tétrapyrroles sont appelés pigments de la vie. Les représentants les plus importants de ces composés chimiques sont l'hème, un composant de l'hémoglobine dans le sang pour le transport de l'oxygène, et de la chlorophylle, le pigment vert des feuilles essentiel à la photosynthèse : « Nos résultats suggèrent que les tétrapyrroles jouent un rôle important lors d'une infection par un phage. Ils semblent si importants que les phages transportent ce matériel génétique supplémentaire parce que cela leur est d’une manière ou d’une autre bénéfique. »
« L'importance des tétrapyrroles dans l'infection par les phages n'était pas connue à ce point auparavant. Les tétrapyrroles sont essentiels à la production d'énergie dans les cellules », explique Frankenberg-Dinkel. «Nous soupçonnons qu'il existe une demande énergétique accrue lorsque les bactéries doivent produire des particules de phage.» Par conséquent, davantage de tétrapyrroles pourraient être nécessaires. » Les chercheurs ont pu démontrer que le gène métabolique auxiliaire est présent dans les phages identifiés à la fois dans l’eau salée et dans l’eau douce.
Selon Frankenberg-Dinkel, les résultats de l'étude actuelle révèlent une autre découverte intéressante : il existe deux manières de produire le premier précurseur des tétrapyrroles, dont l'une est la voie dite Shemin. Et c’est précisément cette voie – ou plutôt la constitution génétique qui y est nécessaire – que les chercheurs ont identifiée dans les phages. « La voie Shemin ne se trouve que dans un groupe de bactéries, et sinon seulement chez les oiseaux et les mammifères. Cela signifie que les phages doivent avoir acquis ce gène auprès d'un groupe particulier de bactéries. Peut-être parce que la voie Shemin est plus efficace que l'alternative C5. voie, car elle ne nécessite qu’une seule enzyme au lieu de deux. »
La biologie des phages est un domaine de recherche en plein essor. Les travaux de Frankenberg-Dinkel ont été financés par la Fondation allemande pour la recherche (DFG) dans le cadre d'un programme de recherche prioritaire (SPP 2330 : Nouveaux concepts dans les interactions virus-hôte procaryotes). « Dans ce programme, nous collaborons avec de nombreux autres chercheurs dans le domaine des virus microbiens », explique le professeur. Certaines découvertes en biologie des phages, comme le système CRISPR/Cas (qui a remporté un prix Nobel), ont déjà progressé au point d'être appliquées.