Secouer les fondations de la vie

L'évolution de la vie sur Terre a pris beaucoup, beaucoup de temps. Les protocellules - les précurseurs des organismes unicellulaires actuels - se sont formées il y a environ quatre milliards d'années, pour finalement évoluer vers les bactéries et les archées. Les premiers eucaryotes sont apparus il y a deux milliards d'années, jetant les bases d'organismes multicellulaires plus complexes. Au cours de son évolution, la vie a dû faire face à de nombreuses perturbations sous la forme de météorites, d'éruptions volcaniques, de périodes glaciaires et de périodes de grande chaleur. Notre planète a connu au moins cinq extinctions massives au cours de sa longue histoire, mais la vie a continué, sans se décourager.

Le changement est l'un des moteurs de l'évolution : tous les organismes, de la bactérie à l'éléphant, doivent constamment changer et s'adapter pour faire face à des défis tels que la concurrence croissante pour la nourriture et l'espace, la pénurie de nourriture, les modifications de l'environnement et le changement climatique. L'incapacité à s'adapter est synonyme d'extinction.

Le succès par la coopération

Les bactéries sont idéales pour étudier les processus d'évolution car elles sont petites et ont des temps de génération très courts. Greg Velicer, professeur à l'ETH Zurich, a choisi la bactérie du sol Myxococcus xanthus comme organisme modèle, car elle forme des groupes coopératifs et chasse d'autres micro-organismes. Lorsque la nourriture se fait rare, des milliers de cellules de Myxococcus s'agrègent en une fructification et produisent des spores, qui peuvent survivre longtemps dans le sol dans des conditions stressantes.

«Il est désormais clair que les microbes, loin d'être des solitaires isolés, sont en fait des organismes hautement sociaux. Les microbes coopèrent avec d'autres microbes, les trompent et les combattent, tant au sein de leurs propres groupes sociaux intraspécifiques qu'au sein de communautés multi-espèces extrêmement complexes», explique Greg Velicer, professeur de biologie évolutive à l'Institut de biologie intégrative. Ces conclusions s'appliquent également aux agents pathogènes. Par exemple, les cellules de la redoutable bactérie hospitalière Pseudomonas aeruginosa ou de l'agent pathogène du choléra Vibrio cholerae communiquent entre elles pour former des biofilms résistants et produire des agents cytotoxiques.

«L'une des questions clés pour les biologistes de l'évolution est de savoir comment la coopération évolue au fil du temps, et surtout comment elle persiste face à un comportement égoïste et non coopératif», explique Greg Velicer.

Il y a quelque temps, lui et ses collègues ont pu montrer que certaines bactéries individuelles dans des groupes de cellules Myxococcus ont un comportement de tricherie envers d'autres cellules du même groupe : ces cellules mutantes - ou cheats - ne produisent pas elles-mêmes de fructifications ou de spores. Mais si l'on mélange ces cheats avec des cellules coopératives qui produisent des spores, ils profitent de ce travail sans apporter leur propre contribution, c'est-à-dire sans fournir l'énergie nécessaire sous forme de messagers chimiques et d'enzymes. Cela permet aux cheats d'augmenter leur fréquence dans une population à un coût pratiquement nul pour eux-mêmes, menaçant ainsi la survie du système coopératif. «Nous avons même vu des cas de tricherie qui ont conduit des populations entières de coopérateurs et de cheats à l'extinction», explique Greg Velicer.

Néanmoins, la coopération reste une stratégie évolutive réussie qui s'est avérée stable sur le plan de l'évolution face à ce type de tricherie dans de nombreux systèmes biologiques. Par exemple, les bactéries Myxococcus coopératives peuvent rapidement donner lieu à des adaptations sociales, comme Greg Velicer l'a découvert dans une autre étude. Il a observé comment une souche qui a commencé par présenter des comportements coopératifs a d'abord évolué pour devenir un cheat, puis est redevenue une souche coopérative - en fait, une nouvelle forme mieux adaptée de souche coopérative très résistante aux tentatives de tricherie de ses propres géniteurs. Une étude ultérieure menée par l'un des collègues de Greg Velicer a montré que la coopération était rétablie grâce à une seule mutation dans un petit ARN (ARNs) inconnu jusqu'alors. Il s'est avéré que cet ARNs joue un rôle essentiel dans la régulation de la formation des fructifications.

Doublement spectaculaire du génome

Les mutations de l'ADN se produisent de manière spontanée et aléatoire, et pourtant elles sont fondamentales pour l'évolution. Si la plupart sont sans conséquence et n'ont aucun effet sur l'organisme, certaines modifications génétiques sont plus profondes et affectent l'ensemble du génome. Un exemple d'un tel événement soudain et dramatique est la duplication de l'ensemble des chromosomes. Au cours de la méiose - la division cellulaire des cellules germinales - les chromosomes ne se répartissent pas uniformément entre les cellules filles. Les chromosomes sont des fils d'ADN enroulés autour d'un échafaudage de protéines. Une cellule humaine normale possède 46 chromosomes : deux chromosomes sexuels et 22 paires de chromosomes non sexuels.

Lorsque la méiose se déroule mal, l'une des cellules filles reçoit tous les chromosomes et donc tout le matériel génétique de la cellule mère. Elle reste diploïde, tandis que l'autre cellule ne reçoit rien et meurt. Si deux cellules germinales diploïdes fusionnent, on obtient un organisme dont les cellules possèdent quatre jeux de chromosomes. L'organisme est maintenant polyploïde, ce qui pose des défis importants en matière de biologie cellulaire et de physiologie de l'organisme.

Kirsten Bomblies, professeure de génétique évolutive des plantes au département de biologie de l'ETH Zurich, s'est penchée sur ce phénomène : «La polyploïdie peut se produire de manière aléatoire ou en raison de changements environnementaux tels que la sécheresse, le froid ou le stress salin.» Elle est courante chez les plantes, mais moins fréquente chez les poissons et les amphibiens. Il n'existe qu'un seul exemple de mammifère polyploïde - bien que même ce cas soit fortement contesté. La plupart des polyploïdes sont des impasses évolutives, mais certains acquièrent un avantage. «Les plantes possédant plusieurs jeux de chromosomes sont beaucoup plus résistantes à la sécheresse et au sel que leurs prédécesseurs», explique-t-elle. Les plantes polyploïdes ont également des fruits et des graines plus gros, ce qui en fait un modèle intéressant pour la sélection de nouvelles variétés de cultures aux rendements et à la résilience plus élevés. En fait, de nombreuses cultures alimentaires importantes ont déjà été sélectionnées pour être polyploïdes : le blé, les pommes de terre, le maïs et le café possèdent tous plusieurs jeux de chromosomes.

Dans l'un de ses projets, Kirtsen Bomblies cherche à savoir pourquoi les plantes polyploïdes sont si tolérantes au stress. L'une des raisons est la taille des cellules. Les cellules polyploïdes sont plus grandes que les cellules diploïdes, ce qui affecte leurs interactions avec l'environnement, comme l'échange de gaz et d'eau. «Pour les biologistes de l'évolution, la polyploïdie est un exemple absolument fascinant de perturbation», déclare Kirsten Bomblies. «C'est une force évolutive profonde car elle change tout dans la biologie d'un organisme».