Comment les communautés microbiennes façonnent l'écologie de l'océan
Sans les micro-organismes, les formes de vie supérieures n'existeraient pas. Les bactéries et les algues unicellulaires forment des communautés dynamiques qui pilotent des processus écologiques fondamentaux : elles construisent la biomasse, décomposent la matière organique morte et recyclent les éléments de la vie. «Malgré leur énorme importance, on sait peu de choses sur la nature des communautés microbiennes», explique Roman Stocker, professeur à l'Institut d'ingénierie environnementale de l'ETH Zurich.
Depuis mai 2017, Roman Stocker et son équipe ont collaboré avec neuf groupes de recherche de diverses universités pour rechercher les principes fonctionnels sous-jacents des écosystèmes microbiens dans l'océan. Le projet Principles of Microbial Ecosystems (PriME) est dirigé conjointement par l'ETH Zurich et le Massachusetts Institute of Technology (MIT) et est soutenu financièrement par la Simons Foundation, basée aux États-Unis (voir le communiqué de presse : Focus on microbial communities). Roman Stocker est codirecteur de PriME et a cofondé le projet il y a six ans.
PriME est récemment entré dans sa deuxième phase, la Simons Foundation soutenant à nouveau le consortium en lui fournissant 15 millions de dollars pour analyser les interactions des bactéries marines et des algues unicellulaires à l'échelle microscopique au cours des cinq prochaines années. Trois groupes de recherche de l'ETH Zurich seront également de la partie : les professeurs Martin Ackermann, Uwe Sauer et Roman Stocker recevront au total 4,2 millions de dollars de la fondation new-yorkaise. L'objectif global reste le même : comprendre comment les microbes marins forment des communautés et comment ces communautés fonctionnent.
Connaissances techniques pour de nouveaux outils de recherche
La dynamique des communautés microbiennes est déterminée par le comportement de leurs membres, qui sont souvent tout sauf passifs. «De nombreux microbes peuvent nager. Ils perçoivent et interagissent activement avec leur environnement, et leurs mouvements sont délibérés», explique Roman Stocker.
Cependant, rendre visibles les interactions de ces cellules est un défi. Une seule goutte d'eau de mer regorge de plus d'un million de microbes. «L'échelle des interactions bactériennes est si petite que nous ne pouvons tout simplement pas les étudier avec les méthodes océanographiques habituelles», explique l'ingénieur en environnement. Dans son laboratoire du département de génie civil, environnemental et géomatique, il développe des méthodes de microécologie qui comblent cette lacune méthodologique.
Roman Stocker est un pionnier dans le domaine de la microfluidique environnementale. Son équipe utilise des techniques de microfluidique qui sont par ailleurs utilisées par les ingénieur·es chimistes pour manipuler de minuscules quantités de liquides, et les combine avec la microscopie et l'imagerie modernes pour étudier les micro-écosystèmes.
Tests comportementaux pour les microbes individuels
La microfluidique environnementale permet, par exemple, de visualiser à haute résolution le comportement de chaque microbe et de quantifier simultanément les processus métaboliques. Cela ouvre de nouveaux horizons. «Nous pouvons non seulement suivre comment les cellules individuelles se déplacent et prennent des décisions, mais aussi examiner pourquoi elles le font», explique l'ingénieur en environnement.
Un exemple est le test de préférence chimique pour les microbes que les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich ont développé spécifiquement pour une utilisation en pleine mer. Le «test de chimiotaxie in situ» (ISCA) consiste en une plaque de plastique de la taille d'une carte de crédit, avec de petites chambres à l'intérieur, qui sont reliées au monde extérieur par de fins canaux - une sorte de piège à homards de taille réduite. Les bactéries qui aiment l'«odeur» d'un produit d'attraction dans le piège vont suivre la piste et nager à l'intérieur.
La capacité des bactéries à se rapprocher ou à s'éloigner de substances plus concentrées est appelée chimiotaxie. Jusqu'à récemment, ce comportement n'avait été observé qu'en laboratoire.
Les microbes marins trouvent leur nourriture par chimiotaxie
Grâce à la puce microfluidique de l'ISCA, l'équipe de Roman Stocker et ses collègues australien·nes ont pu étudier pour la première fois comment les bactéries marines recherchent leur nourriture dans l'océan. Dans une étude publiée dans Nature en avril dernier, les chercheuses et chercheurs ont pu montrer qu'une grande variété d'espèces bactériennes présentes dans les eaux côtières de Sydney utilisent la chimiotaxie pour traquer le phytoplancton - des microalgues qui absorbent le CO2 de l'eau et produisent de la matière organique par photosynthèse. Une partie de la matière synthétisée est libérée par les algues dans l'eau de mer et constitue la nourriture préférée des bactéries. Dans un environnement par ailleurs pauvre en nutriments, celles-ci flairent leur nourriture et se dirigent délibérément vers ces points chauds microscopiques de molécules alimentaires libérées.
On soupçonne depuis des décennies que les bactéries sauvages trouvent leur nourriture par chimiotaxie, mais cela n'avait jamais été confirmé en pleine mer. Ces résultats ont une importance écologique : lorsque des bactéries mobiles recherchent délibérément de la nourriture, leur taux de réussite augmente considérablement. Cela permet également à des microbes rares de se rassembler en grand nombre autour d'une source de nourriture.
Il y a toujours de nombreuses espèces bactériennes qui grouillent autour des cellules vivantes du phytoplancton, car les bactéries se nourrissent des produits de synthèse. Il s'agit de l'une des interactions les plus importantes des micro-organismes dans la mer : le métabolisme collectif de cette communauté microbienne utilise la matière organique et recycle le CO2, ce qui alimente le cycle du carbone océanique.
La décomposition de la neige marine ralentit la pompe à carbone
Le phytoplancton est également le protagoniste d'une autre interaction importante, qui le voit tomber sous forme de neige marine. Ce phénomène est dû aux milliards et milliards d'algues unicellulaires qui se développent dans les couches supérieures de l'océan inondées de lumière, qui meurent ensuite et coulent au fond de l'océan sous forme de particules organiques. Cette «pompe à carbone biologique» transporte continuellement le carbone lié vers les profondeurs. Toutefois, un processus inverse ralentit le flux de carbone. Lorsque les particules de neige coulent, elles sont colonisées par d'innombrables bactéries, qui décomposent la majeure partie de la matière organique des particules.
«Même si seule une fraction du carbone atteint le fond de l'océan et est stockée, la pompe à carbone biologique permet aux océans d'absorber de grandes quantités de CO2 de l'atmosphère», explique Roman Stocker. Son équipe a examiné de plus près l'embrouille microbienne sur cette cargaison en eaux profondes et a découvert que les bactéries décomposent les particules qui coulent jusqu'à dix fois plus vite que ce que l'on supposait auparavant sur la base de tests en laboratoire dans des eaux sans courant. Un examen à haute résolution de la dynamique à l'échelle microscopique autour de ces particules en a révélé la raison : le flux causé par l'enfoncement emporte constamment les sous-produits de la décomposition, qui compliquent autrement le travail des enzymes bactériennes.
Cela réduit la quantité de carbone qui atteint le fond de l'océan. Sur la base de calculs modélisés du flux de carbone, les chercheurs et chercheuses estiment que la décomposition accrue des particules réduit de moitié l'efficacité théorique du transport de la pompe à carbone, ce qui correspond aux mesures macroscopiques du transport réel du carbone dans l'océan.
Se concentrer sur les processus écologiques clés
Au cours des cinq dernières années, le consortium PriME a produit plus de 60 publications, dont la plupart expliquent comment les microbes trouvent et utilisent la nourriture. Dans le cadre du projet de suivi, les partenaires veulent maintenant se concentrer davantage sur les deux micro-écosystèmes d'importance écologique autour du phytoplancton et des particules de neige marine. Plus précisément, leur objectif est de mener des recherches plus approfondies sur les interactions entre les bactéries et les algues unicellulaires, et entre les bactéries et la neige marine.
Roman Stocker travaillera en étroite collaboration avec Martin Ackermann et Uwe Sauer de l'ETH Zurich. Martin Ackermann est le directeur de l'Eawag et dirige le groupe d'écologie microbienne de l'ETH Zurich, de l'Eawag et de l'EPFL. Expert en individualité bactérienne, il apporte à l'équipe une compréhension approfondie de la manière dont les interactions entre les cellules bactériennes individuelles affectent la communauté. Uwe Sauer est un biologiste des systèmes et un spécialiste des processus métaboliques bactériens. Il apporte des méthodes de pointe pour la mesure à haute résolution des substances échangées par les microbes dans les communautés. Ensemble, les chercheurs veulent combler le fossé entre le comportement des cellules individuelles et le rôle écologique des océans. Cela inclut les effets des communautés microbiennes sur le flux de carbone dans l'océan.
«Pour mieux évaluer les conséquences du changement climatique sur les processus écologiques clés, par exemple, il est essentiel de comprendre comment les nombreuses espèces des communautés microbiennes interagissent entre elles», explique Roman Stocker. L'étude des plus petites formes de vie peut nous aider à mieux comprendre notre monde dans son ensemble.
