Un regard médico-légal sur la biodiversité

Anish Kirtane, doctorant à l'ETH Zurich, se tient au milieu de la Limmat, près de l'île de Werdinsel, au-dessous de la ville de Zurich, vêtu d'une grande paire de bottes en caoutchouc. Pour un après-midi de fin septembre, le temps est exceptionnellement chaud. Les rayons du soleil scintillent sur la surface ondulée de l'eau ; les gens se prélassent sur les rives de la rivière, profitant du soleil d'automne ; il y a même quelques baigneurs intrépides qui dérivent vers l'aval au gré du courant.

Anish Kirtane plonge un gobelet gradué dans l'eau, le présente à l'inspection, en verse un peu et retourne sur la berge. À l'ombre d'un saule, Cátia Lúcio Pereira, chercheuse postdoctorale, et Zora Doppmann, étudiante en master, l'attendent. Elles le soulagent de l'échantillon. À l'aide d'une grande seringue, Cátia Lúcio Pereira extrait l'eau et la fait passer à travers un filtre plat de forme carrée.

Zora Doppmann produit un feutre et note la température, la date, l'heure et le lieu où l'échantillon a été prélevé. Elle jette ensuite un dernier coup d'œil inquisiteur sur le filtre. Y a-t-il quelque chose ? Pour l'instant, elle n'est pas en mesure de le dire. De retour au laboratoire, les trois scientifiques de l'ETH Zurich découvriront s'il contient des traces d'ADN d'organismes vivants. C'est ce qu'il et elles espèrent trouver, comme les expertes et experts de la police scientifique dans la série télévisée Les Experts : Miami.

Lancer la machine

Tout être vivant rejette du matériel génétique dans l'environnement, que ce soit sous forme de fèces, de squames, de mucus ou de cellules. Ces molécules d'ADN se retrouvent dans le sol, l'eau, les sédiments d'un lac, les branches d'un arbre et même dans les matières en suspension transportées dans l'air.

Ce projet vise à extraire les molécules d'ADN d'échantillons prélevés dans l'environnement et à les analyser en fonction de leurs éléments fondamentaux. À l'aide de programmes informatiques sophistiqués, les chercheurs compareront ensuite ces séquences d'ADN avec celles de bases de données de référence, en recherchant des correspondances avec des séquences connues pour appartenir à une espèce ou à un groupe d'organismes particulier. Cela leur donnera une idée des créatures qui pourraient être présentes dans une zone donnée.

Bien que la méthode ne soit pas nouvelle, ce n'est que depuis quelques années qu'elle commence à s'imposer. Les premières tentatives d'identification de bactéries sur la base de traces d'ADN dans des échantillons d'eau et de sol remontent à la fin des années 1980. Mais ce n'est qu'en 2008 que des chercheurs et chercheuses européennes ont démontré pour la première fois la présence d'ADN de grenouille dans un échantillon d'eau. Depuis, cette méthode a pris son essor.

Parallèlement, l'émergence de nouvelles techniques de séquençage rapide et complet de l'ADN a donné un nouvel élan aux scientifiques travaillant sur l'ADN environnemental. C'est le cas de Kristy Deiner, professeure d'ADN environnemental à l'ETH de Zurich. Elle dirige le groupe qui comprend Anish Kirtane, Cátia Pereira et Zora Doppmann.

Depuis 2015, les séquenceurs à haut débit sont couramment utilisés pour l'analyse de l'ADN environnemental. Ces appareils peuvent rapidement décoder des mélanges non triés contenant des millions de molécules d'ADN différentes en un seul passage. «Auparavant, nous devions séparer chaque brin d'ADN des autres et le purifier avant de pouvoir analyser sa séquence», explique Kristy Deiner. «C'est cette révolution technique qui a vraiment mis le feu aux poudres.»

Bon marché et rapide

Entre-temps, les deux chercheuses et le chercheur ont livré leurs échantillons au laboratoire. Cátia Pereira et Zora Doppmann sont dans la salle blanche. Vêtues de combinaisons de protection blanches, elles ont l'air d'astronautes. À travers une vitre, Anish Kirtane observe ses collègues en train de traiter le tampon filtrant et de l'arroser de solutions pour éliminer les matières contenant de l'ADN. Elles purifient et préparent ensuite les échantillons de manière à ce que la solution ne contienne que de l'ADN.

«Il est essentiel d'éviter toute contamination», explique Zora Doppmann. Même une minuscule trace d'ADN, qu'elle provienne d'elles-mêmes ou de l'extérieur, pourrait rendre les échantillons inutilisables. Avant d'entrer dans la salle blanche, les chercheuses doivent donc passer par un sas et revêtir des combinaisons de protection, ce qui prend du temps. De plus, tout l'air pompé dans la salle blanche est d'abord filtré. La nuit, des lampes UV sont allumées pour décomposer les molécules d'ADN qui auraient pu être introduites accidentellement. Après chaque test, toutes les surfaces doivent être nettoyées à l'eau de Javel.

Travailler avec du matériel génétique prélevé dans l'environnement reste une procédure complexe et coûteuse, notamment parce qu'elle nécessite une infrastructure de laboratoire sophistiquée, des produits chimiques spéciaux et des instruments onéreux. Néanmoins, cette nouvelle approche est moins coûteuse et plus rapide que les méthodes traditionnelles qui impliquent de collecter et éventuellement de tuer des organismes afin de déterminer leur espèce. «L'analyse de l'ADN environnemental n'est pas invasive», souligne Kristy Deiner. «Aucun animal ou plante n'est blessé lorsque nous extrayons son ADN d'échantillons d'eau ou de sol. En outre, on a besoin que d'une très petite quantité d'ADN pour déterminer une espèce.»

Et la collecte d'échantillons est facile - un fait que Kristy Deiner et son équipe ont l'intention d'exploiter. Dans le cadre d'un projet qui sera bientôt lancé et pour lequel elle a obtenu une bourse de démarrage du CER, Kristy Deiner prévoit d'étendre cette forme de recherche au-delà de la communauté scientifique et de s'assurer le soutien d'aides informelles dans le monde entier. Lors de la Journée internationale de la diversité biologique (22 mai 2024), des volontaires préleveront des échantillons d'eau dans 1200 lacs du monde entier, à filtrer l'eau sur place et à envoyer les filtres à l'ETH Zurich pour analyse. L'ADN y sera extrait, décodé et comparé à des données de référence. «C'est un excellent exemple de projet de science citoyenne», déclare Cátia Pereira, qui coordonne le projet et participera à l'analyse.

L'un des objectifs est d'identifier le plus grand nombre d'espèces possible et de comparer la diversité des espèces dans les différents sites de collecte. En outre, les scientifiques tenteront de déterminer si un système de surveillance basé sur l'ADN environnemental est réalisable à l'échelle mondiale. En échange de leur aide, les participantes et participants auront accès aux données et recevront des informations sur les espèces détectées dans leurs échantillons.

La soupe à l'alphabet sur l'écran

Une fois que les scientifiques ont enlevé leurs combinaisons de protection, elles descendent les échantillons au Centre de diversité génétique, deux étages plus bas. L'une des salles contient un équipement apparemment banal qui est en fait l'un des séquenceurs d'ADN les plus coûteux. «Une fois que nous sommes entrées ici, nous ne sommes plus autorisées à retourner dans la salle blanche, même si nous avons oublié quelque chose», explique Cátia Pereira. «Nous devons donc nous assurer que nous planifions tout correctement.

Elle touche l'écran devant elle avec son index. L'ordinateur a généré des séquences d'ADN à partir d'un précédent échantillon d'eau. Le document affiché à l'écran montre une infinité de séquences des quatre mêmes lettres, A, C, G et T, qui représentent les quatre éléments constitutifs de l'ADN. Une comparaison avec des données de référence révèle que l'une des séquences peut être attribuée à un arbre - le sycomore - et une autre à une ortie. D'autres séquences n'ont pas de nom. «Il y a encore beaucoup de lacunes dans la base de données de référence, de sorte que nous ne pouvons pas toujours dire à quelle espèce ou à quel groupe les séquences appartiennent», explique-t-elle. L'équipe de recherche espère donc qu'un jour, d'autres scientifiques traiteront systématiquement les données de référence des génomes d'une grande variété d'organismes et les stockeront dans des bases de données accessibles au public.

Malgré ces lacunes, Cátia Pereira est fermement convaincue que la méthode de l'ADN environnemental modifie fondamentalement la manière dont la science appréhende la biodiversité. «Elle ne remplacera jamais les méthodes traditionnelles, mais l'approche de l'ADN électronique les complétera certainement. Nous aurons toujours besoin d'experts et expertes en taxonomie et en écologie, car une liste d'espèces n'a de sens qu'en fonction de l'habitat spécifique».