Texte de la 433e conférence de l'Université de tous les savoirs donnée le 14 juillet 2002
Purificacion Lopez Garcia : " La vie dans les milieux extrêmes "

L'objet de cette conférence est la vie dans des conditions extrêmes, dans des environnements où on pensait que la vie était impossible. Il y a trente ans à peine, on pensait que certains environnements étaient stériles, dépourvus de vie, comme les zones volcaniques, terrestres ou sous-marines, les grandes fosses océaniques, et même la glace des régions polaires.

Une introduction présentera les microorganismes qui sont quasi exclusivement les êtres vivants rencontrés dans ces environnements. Ces microorganismes sont appelés "extrêmophiles" - qui aiment les conditions extrêmes-. Cette introduction décrira comment on les a découverts, et comment on les étudie.
- Dans une seconde partie, je vous décrirai les différents environnements extrêmes, où se rencontrent ces organismes
- Enfin, j'aborderai le rapport entre les organismes extrêmophiles et l'exobiologie (ou astrobiologie pour les Américains). L'exobiologie est la science qui étudie les origines de la vie et la distribution de la vie, non seulement sur Terre mais dans l'univers.

I. Introduction : les organismes extrêmophiles :A. La découverte des organismes extrêmophiles
Les premiers organismes extrêmophiles isolés font partie des organismes halophiles, découverts dans un environnement qu'on croyait dépourvu de vie, d'où son nom : la mer morte. Ces organismes vivent dans des concentrations de sels très élevées (du grec halos, sel) Les chercheurs ne se sont pas beaucoup intéressés à ces organismes, jusqu'à la découverte beaucoup plus tardive, dans les années 70, du 3ème domaine du vivant, celui les Archae, auxquels ils appartiennent.

A cette même époque, en 1969, le microbiologiste Thomas Brock isole pour la première fois une bactérie thermophile, Thermus aquaticus, à partir des sources d'eau chaude du Parc national de Yellowstone aux Etats- Unis. Un peu plus tard, il isole, à partir de cette même source, un organisme encore plus thermophile, Sulfolobus acidocaldarius, qui peut supporter des températures de 90°C, et, de plus, associées à de pH très acides, entre 1 et 5.



La découverte des organismes thermophiles a brisé une idée très répandue depuis l'époque de Pasteur chez les biologistes (et les microbiologistes en particulier), selon laquelle les organismes meurent tous au-delà de 80°C. Or, on était cette fois en présence d'organismes vivants bien au-dessus de cette limite supposée.

La découverte des ces organismes dans des environnements particuliers a dès lors déclenché une sorte de chasse aux extrêmophiles. Après quelques années, cette chasse a abouti à la découverte d'une diversité inouïe, complètement inattendue, dans des milieux supposés hostiles à la vie.
B. Définition
Avant de poursuivre dans la description des ces organismes, je voudrais vous en donner une définition plus objective. Un organisme extrêmophile est un organisme qui vit aux limites de la vie, c'est-à-dire aux limites, pour un paramètre physico-chimique donné, au-delà desquelles la vie ne peut exister.
Si on prend l'exemple de la température, il existe des organismes qui se développent à des températures très négatives, de presque - 20°C, et d'autres à des températures de 110-115 °C.
Dans cette fenêtre de température, on classe différents organismes dans leur propre fourchette de température, celle où ils peuvent se développer. Des températures les plus basses aux plus élevées, on rencontre des organismes dits psychrophiles, puis mésophiles, thermophiles modérés, thermophiles extrêmes et enfin hyperthermophiles. Dans chacune des gammes de températures tolérées, les organismes ont une température optimale de croissance, à laquelle leur taux de croissance est maximal. En deçà et en delà de cette température optimale, leur taux de croissance diminue.
Selon notre définition d'extrêmophile, dans le cas présent, seuls les hyperthermophiles et les psychrophiles sont considérés comme de vrais extrêmophiles, car ils vivent aux limites hors desquelles la vie ne se développe pas. Une propriété intéressante des organismes extrêmophiles est que, non seulement ces organismes tolèrent des valeurs extrêmes d'un paramètre donné, mais, réciproquement, ils dépendent de ces conditions pour vivre. Ainsi, les hyperthermophiles ne peuvent pas se développer en dessous de 60-70 °C.
C. Place des microorganismes extrêmophiles dans l'évolution
La découverte des organismes extrêmophiles a été liée à la découverte des organismes de 3ème domaine du vivant, les Archae (Archaebactéries pour certains). A l'inverse : la découverte des


extrêmophiles a conduit à l'identification de ce groupe, mais également à une "révolution" méthodologique et conceptuelle en microbiologie.
En raison de leur petitesse, les microorganismes sont difficiles à étudier. Chez les organismes plus grands, comme les animaux, il est facile de distinguer les espèces par la morphologie. Grâce à l'évolution de la morphologie suivie sur le registre fossile, il est possible de retracer l'histoire évolutive des animaux et de faire des arbres phylogénétiques (des arbres "généalogiques", qui expriment les relations de parenté). En revanche, la morphologie n'est pas assez informative dans le cas des microorganismes. C'est particulièrement vrai pour les organismes procaryotes, où le matériel génétique n'est pas isolé du reste de la cellule par un noyau membraneux, contrairement aux organismes eucaryotes.
Certes, on reconnaît des formes différentes chez les microorganismes procaryotes - on a des coques, des bacilles, des spiriles... etc. Néanmoins, ces types morphologiques sont en nombre restreint, alors qu'il existe des milliers d'espèces de coques, des milliers d'espèces de bacilles... Les morphologies ne permettent donc pas d'établir de relations de parenté entre les microorganismes.
Les microbiologistes s'étaient donc contentés d'étudier des microorganismes isolés dans des cultures pures, soit par des méthodes d'isolement dans des milieux liquides, soit par étalement sur des boîtes. On pouvait ainsi obtenir des cultures pures (des cultures où toutes les cellules appartiennent à une même espèce). A partir de là, on pouvait ensemencer les microorganismes de ces cultures pures dans de milieux de cultures différents pour étudier leurs propriétés physiologiques. Ainsi, on pouvait classer les microorganismes selon les capacités physiologiques de chacun. On restait cependant incapable d'établir une classification naturelle (ou phylogénie), c'est-à-dire une classification fondée sur des relations de parenté entre organismes.
Une idée révolutionne complètement la phylogénie, en 1965. Il s'agit d'une idée émise par Emile Zuckerkandl et le prix Nobel Linus Pauling, qui proposent dans un article très connu que les macromolécules biologiques accumulent l'histoire évolutive. Ces macromolécules, ce sont par exemple les protéines, l'ADN (le matériel génétique qui code l'information de la cellule) ou encore l'ARN (une sorte d'empreinte de l'ADN). En principe, parmi ces macromolécules, on pourrait en choisir une qui soit présente chez tous les organismes et en obtenir la séquence. En comparant cette séquence chez tous les organismes du monde vivant, on pourrait établir leurs relations de parenté. En effet, la similitude entre les séquences de macromolécules révèle s'ils sont plus ou moins apparentés.
C'est effectivement ce qui a été fait. On a choisi l'ARN ribosomique 16 S 18 S comme carte d'identité moléculaire des organismes. Pourquoi cet ARN ribosomique ? Cette molécule fait partie des ribosomes, qui sont les machines à synthétiser les protéines pour toute cellule. Ils sont indispensables à la vie de n'importe quelle cellule. L'ARN ribosomique, présent dans ces structures, est donc une molécule universelle. En principe, cette molécule peut être utilisée comme marqueur moléculaire des organismes : en comparant sa séquence chez différents organismes, on peut construire des arbres phylogénétiques, c'est-à-dire des arbres où on repère les relations de parenté entre organismes. La longueur des branches de ce type d'arbres indique la distance génétique (c'est-à-dire évolutive) entre ces organismes. Il existe deux représentations de ces arbres : sous forme d'échelle ou sous forme radiale.
En comparant la séquence des ARN ribosomiques de milliers d'espèces, on a ainsi pu construire un arbre universel du vivant, qui regroupe tous les organismes vivants.
Cet arbre a crée une surprise importante. On a découvert que tout un groupe d'organismes dont la morphologie ressemblait beaucoup aux bactéries classiques, se retrouvait isolé, distant à la fois des bactéries classiques (procaryotes) et des eucaryotes, qui rassemblent la plus grande diversité morphologique (plantes, champignons, animaux et microorganismes eucaryotes). Cela remettait en question la traditionnelle représentation des relations entre organismes vivants.
La découverte de cette troisième branche est très importante de deux points de vue. D'une part, du point de vue phylogénétique, pour étudier l'évolution et les origines de la vie. D'autre part, les premiers Archae isolés étaient des extrêmophiles, issus d'environnement à forte température, à forte concentration saline ou encore très acides. On sait que ces Archae sont présentes dans d'autres environnements, presque partout, mais souvent les Archae possèdent le record d'extrêmophiles connus. Quelle signification donner à la propriété de ce domaine ?
D. Les adaptations aux conditions extrêmes
Tout d'abord, les organismes extrêmophiles sont intéressants pour étudier les adaptations moléculaires qu'imposent les différentes contraintes - forte température, acidité...etc. La question est de savoir comment les molécules peuvent résister à des stress extérieurs extraordinaires.
On peut considérer que les cellules sont formées de trois grands types de macromolécules : les membranes (les lipides), les protéines, l'ADN. Des adaptations sont nécessaires à ces trois niveaux pour qu'un organisme supporte des conditions extrêmes.
Les membranes sont essentiellement constituées de lipides. Elles délimitent le contenu cellulaire, maintiennent la cellule en équilibre avec le milieu extérieur, et permettent les échanges avec l'environnement. Les facteurs environnementaux, entre autres la température, affectent la structure de lipides qui sont disposés en bicouche. Les lipides sont constitués d'une petite tête polaire ou hydrophile ("qui aime l'eau") et d'une longue chaîne hydrophobe ("qui n'aime pas l'eau"). Les têtes polaires sont tournées vers l'extérieur (au contact du milieu extra- ou intra- cellulaire aqueux), les chaînes hydrophobes à l'intérieur de la membrane. Les fortes températures augmentent la fluidité

des lipides, ce qui déstabilise les membranes et provoquent des pertes d'ions, avec des conséquences néfastes pour la cellule. Parmi les adaptations rencontrées chez les organismes thermophiles, il y a, par exemple, la formation de mono-couches qui rigidifient la membrane, ce qui contrebalance l'effet délétère des fortes températures. Il existe de la même façon des adaptations des membranes pour chacun des paramètres physico-chimiques de l'environnement.
De la même manière, les protéines peuvent être adaptées aux différents stress auquel fait face l'organisme extrêmophile. Les protéines réalisent différentes fonctions dans la cellule. Or, la fonctionnalité de la protéine est fortement liée à sa forme, à sa configuration. A température élevée, les protéines peuvent développer le plus d'interactions possibles, à l'intérieur de la protéine, mais aussi avec d'autres molécules, pour maintenir leur configuration et leur stabilité. Au contraire, à basse température, les protéines sont adaptées pour augmenter leur flexibilité, par un ensemble d'ajustements.
Enfin, les acides nucléiques doivent également être protégés des agressions induites par les paramètres physico-chimiques extrêmes. En général, les organismes extrêmophiles, en particulier les hyperthermophiles, ou les organismes soumis à de fortes radiations UV, possèdent des systèmes de réparation de l'ADN très puissants.
Quel est l'intérêt de ces organismes ?
En raison de ces adaptations moléculaires très performantes, les organismes extrêmophiles sont très intéressants d'un point de vue biotechnologique, en particulier à cause de leurs systèmes enzymatiques. Les enzymes sont des protéines qui catalysent des réactions chimiques dans la cellule. Chez les organismes extrêmophiles, on les appelle extrêmozymes.
De façon logique, les enzymes sont adaptées aux conditions optimales de croissance de l'organisme dont elles font partie. Dans le cas des extrêmophiles, ces systèmes enzymatiques sont donc capables de fonctionner dans des conditions extrêmes. Cette résistance à des conditions drastiques peut présenter des intérêts pour des processus industriels particuliers - dont on verra quelques exemples.
D'un point de vue scientifique, la découverte des extrêmophiles, liée à celle des Archae, a représenté un réel bouleversement dans le domaine de l'évolution. De plus, cette découverte a permis de formuler de nouvelles hypothèses sur l'origine de la vie et, au final, du point de vue de l'exobiologie, pour de nouvelles recherches sur l'existence de formes de vie hors de la Terre.
II. Les organismes extrêmophiles et leur environnement
Les environnements extrêmes présentent deux caractéristiques importantes. D'une part, la prédominance de la vie microbienne. Dans les milieux les plus extrêmes, les plus limitants

pour la vie, seuls certains microorganismes sont capables de se développer. D'autre part, dans ces environnements, la diversité diminue : au fur et à mesure qu'on s'approche des conditions limites pour la vie, on rencontre de moins en moins d'espèces.
On classe les organismes extrêmophiles selon le paramètre physico-chimique auquel ils sont adaptés dans une valeur extrême. Par exemple, pour la température, on a des organismes hyperthermophiles et psychrophiles. Pour le pH, on a des organismes qui vivent à pH bas, les alcaliphiles, ou élevé, les acidophiles. On va maintenant parcourir brièvement les environnements où vivent ces différents organismes.
Les températures extrêmes
Les hyperthermophiles sont probablement les plus populaires des extrêmophiles. Leur température optimale de croissance est supérieure à 80°C.
C'est à température élevée que la propriété selon laquelle la diversité diminue près des conditions limitantes est la mieux avérée. Ainsi, à basses températures, on rencontre toute une diversité d'organismes qui peuvent se développer et qui appartiennent aux trois domaines du vivant (archae, eucaryotes, bactéries). En revanche, les eucaryotes n'arrivent pas à vivre au-delà de 60°C. Seuls quelques champignons et quelques eucaryotes unicellulaires supportent 60°C. Au-dessus de cette température, on trouve seulement des archae et des bactéries thermophiles et hyperthermophiles. Aucune bactérie ne se développe à plus de 95 °C. Au-dessus de cette température, c'est le territoire des Archae. Seules des Archae sont capables de vivre au-delà de 100°C, jusqu'à 110-115°C.
Les environnements où se développent les thermophiles sont liés au volcanisme. Les sources chaudes du Parc National de Yellowstone aux Etats-Unis sont le premier type d'environnement où on les a isolés. On les rencontre également au niveau des solfatares de plusieurs régions volcaniques : Islande, Nouvelle Zélande, Australie, Italie etc. Un autre type d'environnement correspond aux sources hydrothermales continentales, notamment en Islande, en Italie et en Grèce. Cependant, la plupart de ces sources restent marines, en relation avec les grandes fosses dorsales océaniques. On les rencontre à de très grandes profondeurs, entre - 1500 et - 3000 mètres. Elles ont notamment été étudiées au niveau des rift médio atlantique et de l'est pacifique. On en trouve également au niveau de l'Océan Indien.
Ces sources sous-marines ont été découvertes pour la première fois en 1977 grâce à un sous-marin américain. A cette occasion, on a pu isoler les microorganismes. On rencontre parfois des colonies d'animaux - par exemple le ver géant Riftia pacifica.
Il existe deux types de sources hydrothermales :

- les fumeurs noirs, découverts deux ans plus tard, où les fluides sortent à des températures de 350-400 °C ;
- les fumeurs, diffuseurs froids, où la température est plus basse, en raison du mélange d'eau de mer froide avec les premières couches de fluides.
Les sources hydrothermales émettent des fluides très réduits, et souvent des gaz très toxiques pour nous (sulfure d'hydrogène, méthane), mais aussi beaucoup de métaux lourds provenant du lessivage des couches basaltiques. Ces gaz très toxiques s'avèrent très utiles pour le développement des communautés d'organismes qui y vivent. Ils sont en effet autotrophes c'est-à-dire capables de fabriquer leur propre matière organique à partir de matière inorganique (CO2) et obtiennent leur énergie à partir de réactions d'oxydoréduction qui font intervenir les composés réduits issus des fluides. Leur métabolisme est dit chimiolitho-autotrophe.
Ces organismes sont très importants parce qu'ils sont à la base de la chaîne trophique : ils réalisent la production primaire dans l'écosystème, qui est complètement indépendant de la lumière solaire (Dans les écosystèmes terrestres, les plantes occupent la même fonction, mais fixent le carbone inorganique en utilisant l'énergie solaire (processus de photosynthèse).
Ils peuvent ainsi nourrir les autres animaux à proximité.
C'est justement à proximité d'une cheminée du rift medio-atlantique qu'on a isolé l'organisme le plus thermophile connu jusqu'à présent Pindobus fumari, une archae qui peut vivre jusqu'à 113 °C.
Une condition indispensable pour la vie est la présence d'eau à l'état liquide. Dans ces sources hydrothermales de grande profondeur, on peut encore trouver de l'eau liquide à plus de 100°C grâce au poids de la colonne d'eau, dont la pression maintient l'eau à l'état liquide. Ces organismes sont en général anaérobies stricts c'est-à-dire que la présence d'oxygène les tue. Le fluide étant très réduit ne contient pas d'oxygène.
Comme exemple d'Archae hyperthermophiles sous-marines, je tiens à citer Pyroccocus abyssi, isolé par une équipe française de Roscoff, très connu, car il a été choisi comme modèle biologique pour ces organismes et son génome complètement séquencé. Enfin, il existe quelques exemples de bactéries hyperthermophiles, moins thermophiles que les Archae. Ainsi, T hermotaga maritana caractérisé par la présence de capsules, ou Aquifex pyrophilus.
Là où la vie se développe, les parasites de la vie apparaissent également. Les hyperthermophiles n'échappent pas à la règle. On trouve des virus capables de parasiter ces organismes - virus filamenteux ou en forme de citrons. Ils ne sont pas encore très connus. Il n'y a pas d'inquiétude à avoir en ce qui nous concerne : nous sommes trop loin dans la fourchette de température pour qu'ils nous affectent.

Les organismes hyperthermophiles sont importants au niveau de la biotechnologie. Ils peuvent être utilisés pour décontaminer des polluants ou des boues résiduelles de l'industrie, qui sont très chaudes. Certaines de leurs enzymes sont ajoutées au détergent pour la lessive à haute température. L'application probablement la plus importante concerne l'utilisation de certaines ADN polymerases pour la réaction de PCR - la Réaction en Chaîne de Polymérisation de l'ADN. Cette réaction permet d'amplifier l'ADN, c'est-à-dire qu'à partir d'une infime quantité d'ADN, on peut en produire de grande quantité, à l'identique. Cette technique a été une révolution en biologie moléculaire. Aujourd'hui, la PCR est utilisée en routine par tous les laboratoires de biologie moléculaire, mais aussi par les hôpitaux, ou la police - elle permet à partir d'un cheveu, de relever une empreinte génétique et de la comparer à celle d'un suspect.

A l'opposé de la gamme de température, se situent les organismes psychrophiles (qui aiment le froid). Ils se développent à moins de 5°C, aux alentours de 0°C. Comme pour les organismes vivant à hautes températures, le facteur limitant reste les ressources en eau liquide. On peut rencontrer de l'eau liquide à moins de 0°C : par exemple dans les eaux salées, ou sous les glaciers, où l'eau reste liquide sous l'effet de la pression. Ces organismes se rencontrent dans les grands fonds océaniques : en profondeur, la température avoisine les 2°C. On les retrouve également dans la neige de montagne ou les banquises. Ce sont par exemple des algues rouges qui forment des tâches rougeâtres. Souvent, ils se développent au niveau de petites crevasses où l'eau salée s'accumule en saumures, qui abritent ces organismes. Un des environnements les plus étudiés pour ces organismes psychrophiles est l'Antarctique, à partir des carottes de glace. Ces organismes peuvent se développer dans la glace, où ils forment des couches - couches d'algues rouges ou vertes.
D'autres microorganismes peuvent être présents : des organismes hétérotrophes, qui profitent de la fixation de matière organique par la photosynthèse, réalisée au niveau des couches supérieures. C'est au niveau du pôle sud qu'on a détecté le record d'activité microbien à basse température : à - 12°C à - 17°C.
Il faut cependant distinguer les organismes psychrotolérants qui peuvent vivre dans les mêmes environnements que les organismes psychrophiles. Par exemple, les ours sont dits psychrotolérants, car leur métabolisme interne se réalise à 37 °C (ils réalisent une homéostase de leur température interne). Ce n'est pas le cas des microorganismes psychrophiles vrais, qui supporte la température extérieure sans homéostasie.
Les milieux hyper salins
Les organismes halophiles aiment les fortes concentrations de sel, et peuvent vivre jusqu'à saturation en sel - le sel précipite. On les retrouve dans certaines mines de sel, et très souvent dans les salines d'eau de mer. D'étang en étang, la concentration en sel augmente jusqu'à atteindre la saturation. La couleur rouge des différents étangs correspond à la couleur des pigments de ces microorganismes. Ils peuvent adopter des formes parfois très surprenantes. Dans les étangs les plus salés, on peut avoir des cellules carrées et très aplaties.
Les pH extrêmes
Les organismes alcaliphiles vivent à pH alcalin, au dessus de pH 9. Ils sont capables de résister à l'eau de Javel. Très souvent, ces organismes sont associés à des milieux très salés. C'est le cas de lacs de type Natron, en Afrique du Nord, où les Egyptiens se procuraient les natrons pour embaumer leurs morts. On en retrouve également dans d'autres types de lacs, moins salés, où ils forment des stromatolites qui peuvent atteindre plusieurs mètres de haut.
Les organismes acidophiles au contraire, se rencontrent à pH très bas. Certains peuvent vivre sans problème dans l'acide sulfurique. Ils se rencontrent dans différents milieux - zones volcaniques, zones minières, rivières acides du Nord de l'Espagne. La couleur rouge est due à la présence de fer, à pH 2. L'organisme le plus acidophile connu est Picrophilus achemaï, isolé d'un solfatare au Japon. Son pH optimum est de 0,7 et il peut vivre sans problème à pH 0. Ils sont très utiles en biotechnologie, pour la lixiviation des métaux - On arrose des piles de minéraux avec de l'eau contenant ces microorganismes. Ces microorganismes se chargent de lessiver et de solubiliser les métaux présents dans les piles de minéraux - On les utilise également pour la désulfuration du charbon.
Pression
Les organismes barophiles (ou piezophiles) aiment les fortes pressions. On les trouve dans les grands fonds, autour de -11 000 mètres, comme dans la fosse des Mariannes ou dans la croûte terrestre, sous la masse du sol continental.
Sécheresse et radiations
Les organismes xérophiles supportent les forts dessèchements. On les retrouve dans le désert, connus sous le nom de « vernis du désert ». Ils peuvent vivre dans des cailloux, ce qui leur permet de se protéger, à la fois de la perte d'eau et des fortes radiations solaires.
Les organismes radiotolérants supportent les fortes radiations. Ce sont des bactéries normalement protégées contre les fortes dessiccations, ce qui implique des systèmes de réparation de l'ADN très puissants. Cela leur confère également une protection contre les radiations. On a pu par exemple isoler ces microorganismes à Tchernobyl ou dans l'Antarctique, sous le trou d'ozone.
Le sous-sol
Pour l'instant, nous avons fait un petit parcours pour différents types d'environnements extrêmes, sur Terre. Il nous manque encore un environnement très étendu : la biosphère souterraine.
La vie existe également dans la croûte terrestre : on a détecté de l'activité microbienne dans les sous-sols océaniques ou continentaux, dans des dépôts de sels, des mines profondes, des aquifères profonds et les grottes.
Les microorganismes de ces environnements occupent de petites crevasses, en densité très faible. Souvent, dans les environnements souterrains, les nutriments manquent par rapport aux besoins des organismes. Dans ces conditions, on suppose que ces organismes présentent une activité métabolique très faible et qu'ils ne se divisent qu'une fois par mois ou par an - très rarement, sans doute. En général, ces organismes sont chimiolitho-autotrophes. Ce sont des organismes qui fabriquent leur propre matière organique, en utilisant des composés inorganiques de la croûte pour produire des réactions énergétiques.
On a isolé des organismes jusqu'à 100 km de profondeur dans la croûte. Ainsi, Vasilius infernus a été isolé à une profondeur de 2, 7 km. Parfois, on n'arrive pas à isoler et/ou cultiver ces microorganismes en laboratoire. On réussit cependant à les visualiser, en utilisant des colorants spécifiques.
Apparemment, c'est la température qui limite la vie en profondeur. On parvient à détecter des traces de vie à des profondeurs où la température est compatible avec la vie, autour de 100-110 °C.
Les formes de survie
Du point de vue de la résistance à long terme et de la longévité, un aspect important est la survie dans les conditions extrêmes. Il n'est plus question ici de vie, mais de survie ou de résistance à long terme.
Quand les conditions deviennent trop défavorables, beaucoup d'organismes sont capables d'entrer en dormance, en adoptant des formes de résistance spécifiques. C'est le cas de nombreuses bactéries qui fabriquent des spores. Sous de telles formes, ils sont capables de résister très longtemps à des conditions très défavorables. Quand les conditions sont de nouveau favorables, ils se "réveillent" et peuvent se développer de nouveau.

Ainsi, on a exposé des formes de résistance de bactéries halophiles, présentes à l'intérieur de cristaux de sel, au rayonnement cosmique, pendant deux semaines. Elles y ont résisté.
Les deux meilleures adaptations pour assurer sa survie à long terme sont :
- d'une part, la dessiccation. C'est la méthode développée par les organismes halophiles, au centre de nucléation des cristaux. Ils peuvent résister ainsi pendant des années.
- d'autre part, la cryopréservation. Les microbiologistes savent que la meilleure façon de conserver des souches microbiennes consiste à les congeler à -80°C. Le froid agit de la même manière dans la nature et permet la survie des organismes. Un exemple est donné par une mousse issue du permafrost (sol gelé en permanence), datant de 40 000 ans, qu'on a pu faire pousser.

III. Le lien entre organismes extrêmophiles et exobiologieA. L'existence de vie hors Terre
La découverte des extrêmophiles a permis de s'interroger de façon beaucoup plus convaincante sur la question de l'existence de vie ailleurs que sur Terre, dans l'univers. En effet, il est certain que plusieurs types d'organismes extrêmophiles pourraient se développer dans les conditions offertes par d'autres planètes.
Dans notre système solaire, les deux planètes les plus favorables à l'étude de vie "extra terrestre" sont :
- Europa, une planète satellite de Jupiter, très froide. Elle possède une calotte de glace sous laquelle pourrait exister de l'eau à l'état liquide. La présence de liquide est un élément indispensable à la vie, telle qu'on la connaît du moins.
- Mars, la planète rouge, est le deuxième candidat. Sa surface est complètement stérile. Cependant, on pense qu'à l'intérieur pourrait se trouver de l'eau, et, comme la température augmente avec la profondeur, cette eau pourrait être liquide. La vie pourrait donc se développer à l'intérieur de la croûte. Même si la vie sur Mars n'existe pas actuellement, ce qui reste probable, les conditions régnant sur cette planète au début de son histoire étaient très semblables à celles de la Terre. Par la suite, comme Mars a moins de masse que la Terre, elle a perdu son atmosphère.
B. L'origine de la vie sur Terre

Tout d'abord, un petit rappel sur l'histoire de la vie sur Terre. Elle s'est formée il y a 4,6 milliards d'années. Les premiers organismes seraient apparus vers 3,8 - 3,9 milliards d'années. On date les premiers fossiles procaryotes à 3,5 milliards d'années. La nature de ces fossiles est aujourd'hui très controversée : on pensait qu'il s'agissait de cyanobactéries, mais il est possible qu'il s'agisse de procaryotes thermophiles - le débat reste ouvert. Les organismes eucaryotes apparaissent beaucoup plus tard. L'oxygène, absent au début la vie, apparaît il y a 2, 1 milliards d'années. Nous, les êtres humains, sommes apparus à la fin de l'échelle : il y a 2 millions d'années.
Le modèle le plus classique pour expliquer l'origine de la vie sur Terre a été développé dans les années 1920 par le chimiste russe , A.I. Oparin et l'anglais J.B.S. Haldane. Cette théorie défend une origine de la vie à basse température et hétérotrophe. Les premiers organismes vivants se seraient développés au niveau des mares à partir de molécules organiques simples formées grâce à la synthèse prébiotique, favorisée par les rayonnements UV et les décharges électriques. A partir de ces molécules organiques simples, les macromolécules se seraient formées : ARN, protéines, puis ADN. Ensuite, les premières cellules et... l'évolution de la vie.
Cependant, la découverte des hyperthermophiles, plus que tout autre extrêmophile, a ravivé le débat sur l'origine de la vie sur Terre. Leur connaissance a en effet suggéré de l'idée d'une origine de la vie chaude et autotrophe. Dans ce cadre, la vie serait apparue dans des environnements similaires aux sources hydrothermales sous-marines. Les premiers organismes vivants auraient été des chimiolitho-autotrophe - qui fabriquent leur matière organique et obtiennent leur énergie à partir de composés réduits. Cette idée d'une origine chaude et autotrophe de la vie est soutenue par trois types d'arguments :
- des arguments géologiques. La Terre était probablement plus chaude au moment où la vie est apparue. En effet, la Terre venait de s'agréger et se serait refroidie peu à peu.
- des arguments phylogénétiques : certains auteurs ont proposé une origine de la vie dans la branche des bactéries. Dans ce cas, les lignées les plus proches de la racine de la vie correspondent à des hyperthermophiles. L'ancêtre commun de tous les êtres vivant serait lui-même un hyperthermophile. Le problème est que cette position de la racine n'est reste pour l'instant qu'une hypothèse non validée.
- des arguments métaboliques. Les métabolismes rencontrés chez les hyperthermophiles représentent toute une variété de réactions d'obtention d'énergie qui font intervenir des composés qu'on trouve dans les sources hydrothermales. Le soufre et le fer sont souvent impliqués dans ces réactions. Ce constat rappelle une théorie de Günther Wächtershäuseren en 1988, selon laquelle la vie serait apparue sur des surfaces de pyrite (sulfure de fer), car le gaz carbonique de l'atmosphère aurait pu former des molécules organiques en présence de sulfure d'hydrogène et de sulfure de fer.
Cependant, l'idée d'une origine chaude et autotrophe de la vie est très contestée. Certains auteurs proposent que le dernier ancêtre commun soit un organisme de type eucaryote. Or, comme les eucaryotes ne peuvent pas être hyperthermophiles, la vie serait apparue à basse température. D'autres avancent que la vie aurait effectivement pu apparaître à basse température, mais que le dernier ancêtre commun serait un hyperthermophile. En effet, seuls des hyperthermophiles auraient pu survivre aux bombardements de météorites qu'a connu la Terre au début de son histoire et qui auraient presque entièrement stérilisé la Terre, sauf, justement, les sources hydrothermales sous-marines.
Cependant, hormis les hyperthermophiles, d'autres extrêmophiles dans d'autres environnements sont importants pour la recherche en exobiologie :
- ceux des environnements froids (zones glaciaires, permafrost) et les psychrophiles, en raison d'une possibilité de vie sur Europa.
- ceux des milieux hyper salés, notamment les évaporites, roches obtenues par évaporation, qui préservent très bien les traces de vie passée. On a détecté sur Mars des structures qui ressemblent à ces roches. Si la vie a existé sur Mars, il est possible que ces formations en conservent des traces.
- ceux du milieu souterrain, sous la croûte terrestre, en raison des possibilités de formes de vie similaires sur Mars.
Conclusion
Les extrêmophiles nous montrent donc quelles sont, sur Terre, les limites de la vie, mais ils permettent également d'ouvrir des horizons nouveaux à la vie, dans l'Univers.


Glossaire

Fumeur : édifice en forme de cheminée construit sur les fonds océaniques par des fluides hydrothermaux qui précipitent des sulfures polymétalliques
Solfatare : terrain vocanique d'où sortent des fumerolles sulfureuses chaudes
Natron : carbonate de sodium hydraté naturel. Les Egyptiens utilisaient le natron pour déhydrater les corps à momifier.
Hétérotrophe : qui a besoin d'une source organiques déjà synthétisé pour assurer sa nutrition.
Autotrophe : qui peut fabriquer sa matière organique à partir d'éléments exclusivement minéraux.
Homéostasie : faculté qu'ont certains êtres vivants de maintenir ou de rétablir certaines constantes physiologiques (pression artérielle, température) quelles que soient les variations du milieu extérieur
Stromatolite : concrétion discoïde constituée par des amas de bactéries fossilisées
Cyanobactérie : procaryote capable de réaliser la photosynthèse (anciennement « algue bleu »)

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Transcription* de la 400e conférence de l'Université de tous les savoirs prononcée le 17 janvier 2002

Nanobiologie : la micromanipulation des molécules par Frank Jülicher

Cette série de conférences sur les nanotechnologies souligne les efforts actuels pour développer des techniques de manipulation des structures et des objets à l'échelle moléculaire, de quelques nanomètres (nm). L'objectif de ces recherches est de créer des structures artificielles complexes et de développer une véritable technologie à cette échelle sous-microscopique.
Les cellules vivantes ont créé des macromolécules biologiques et des nano-objets complexes qui sont à la fois des exemples et une source de motivation pour ce que nous tentons de réaliser artificiellement par des nouvelles techniques. Ces nano-objets sont très intéressants dans plusieurs perspectives :
D'une part, l'étude des macromolécules biologiques est essentielle pour la compréhension du fonctionnement des cellules vivantes.
De plus, les macromolécules biologiques constituent des exemples de nano-objets avec des fonctions très diverses comme par exemple de véritables moteurs à l'échelle moléculaire. Ils sont donc la preuve que les fonctionnements complexes à l'échelle moléculaire sont tout à fait possibles en principe et qu'ils sont déjà réalisés dans la nature.
Par ailleurs, l'étude de ces nano-objets biologiques permet également d'étudier les particularités et les limitations d'un fonctionnement à l'échelle moléculaire et de les distinguer du fonctionnement des technologies habituelles macroscopiques. Par exemple, à l'échelle moléculaire, les fluctuations sont très importantes car les macromolécules fonctionnent de manière stochastique et non pas de manière déterministe.
Enfin, les nouvelles technologiques de micromanipulation permettent aujourd'hui d'étudier les propriétés et les comportements des macromolécules biologiques au niveau des molécules individuelles.
Dans cet exposé, nous allons présenter des exemples de macromolécules biologiques capables de générer des mouvements et des forces au niveau de la molécule individuelle. Ces systèmes sont importants pour les phénomènes actifs dans les cellules vivantes comme par exemple la division cellulaire, le mouvement créé dans les cellules, le transport des composants dans les cellules et aussi la contraction musculaire.
Dans un premier temps nous allons présenter l'organisation des cellules et l'importance des phénomènes actifs et des structures moléculaires cellulaires.
À l'échelle macroscopique, vous trouvez les cellules des animaux et des plantes qui peuvent avoir une taille d'un dixième de millimètre soit 100 micromètres. Les bactéries sont déjà plus petites et sont de l'ordre de 1 micromètre. Elles restent visibles par microscopie optique, technique qui est limitée par la longueur d'onde de la lumière visible. Les échelles plus petites sont celles des nano-objets complexes comme les virus, qui sont de l'ordre de 100 nanomètres. Encore plus petites, les protéines sont les macromolécules les plus importantes des cellules vivantes. Elles peuvent être constituées de milliers d'atomes et avoir une structure tridimensionnelle très complexe. La taille typique d'une protéine est 10 nanomètres. Une autre macromolécule importante est l'ADN qui porte le code génétique. Elle peut être très longue avec un diamètre de 1 à 2 nanomètres. Viennent ensuite des molécules plus petites comme les lipides qui constituent les membranes biologiques. Finalement, en dessous du nanomètre, on trouve des petites molécules comme l'eau et les atomes.
Tout ce monde inférieur au micromètre, visible uniquement avec un microscope électronique, est présent dans les cellules vivantes. Un grand nombre de macromolécules ont des rôles actifs très spécifiques.
Une cellule vue au microscope optique présente un grand nombre de structures diverses, des organelles qui ont des rôles variés et spécifiques. Une activité dynamique, le transport des organelles et des matériaux, s'y déroule grâce aux protéines qui existent en très grand nombre et jouent un rôle dans tous les processus actifs.
Avant la division cellulaire, les chromosomes des cellules se condensent pour pouvoir se dupliquer. Cette opération est réalisée grâce à un grand nombre de protéines qui se fixent alors sur l'ADN. Ensuite, les chromosomes subissent un mouvement assez irrégulier. Ils s'alignent, puis des structures moléculaires, des moteurs, les tirent depuis les coins opposés de la cellule pour les séparer. La cellule peut alors se diviser et les chromosomes se décondensent, ce qui leur fait perdre leur identité visible. Cette activité dynamique dans la cellule, ces fluctuations, sont dues aux milliers de protéines qui travaillent ensemble. Elles créent ensemble un phénomène bien déterminé qui sépare les chromosomes.
Le monde des protéines n'est pas visible avec un microscope optique qui ne permet de distinguer que les grandes structures et les phénomènes qui se déroulent à l'échelle du micromètre. À cette échelle il n'est pas possible de voir l'existence de filaments, appelés microtubules, et qui sont organisés autour de deux centres aux pôles de la cellule. Ils croissent à partir de ces centres pour s'attacher aux chromosomes. Ils Suvrent dans des phénomènes qui permettent d'aligner les chromosomes. Ensuite, des petits moteurs utilisent la polarisation des filaments pour tirer les chromosomes vers les deux pôles de la cellule. Ces filaments appartiennent au cytosquelette des cellules eucaryotes - les cellules qui possèdent un noyau.
Le cytosquelette est un réseau tridimensionnel de filaments essentiels pour la stabilité et les propriétés mécaniques de toutes les cellules vivantes. Il est constitué de deux types de filaments : les microtubules et l'actine. Nous venons de voir que les microtubules sont impliqués dans la division cellulaire. Les filaments sont de vrais nano-objets biologiques qui se forment à partir d'unités identiques qui cristallisent pour former des structures linéaires de quelques nanomètres de diamètre. Il est très important de noter qu'il s'agit de structures polaires qui donnent une orientation. Cette orientation est essentielle pour les phénomènes de transports car elle donne une direction au mouvement.
Le cytosquelette est impliqué dans un grand nombre de phénomènes dynamiques des cellules vivantes, comme les divisions cellulaires. Les protéines les plus importantes impliquées dans cette activité sont les moteurs moléculaires. Elles sont capables au niveau d'une molécule individuelle d'induire du mouvement et des forces.
Un moteur moléculaire est une grande macromolécule, une protéine qui se lie spécifiquement à un des filaments du cytosquelette et qui est capable de créer des déplacements dans une direction donnée par la polarité. Si un objet est attaché à cette molécule, il peut être transporté dans la cellule. Trois familles de moteurs sont distingués : kinésine, dynésine, myosine. Les kinésines travaillent avec les microtubules alors que les myosines sont impliquées avec l'actine dans la contraction musculaire.
La création de mouvement nécessite un carburant, une source d'énergie. Dans le cas des moteurs moléculaires, la molécule de triphosphate adénosine (ATP) sert de carburant. Lors d'une réaction chimique elle perd un groupe phosphate, ce qui libère de l'énergie qui est utilisée pour faire bouger le moteur. Une molécule de carburant ATP se lie au moteur, une réaction chimique se produit, un phosphate P est coupé. Les deux produits de la réaction, diphosphate adénosine (ADP) et P, se détachent du moteur qui revient à son état initial. Une molécule de carburant a été consommée et a libéré de l'énergie.
Il est possible d'observer directement, sous le microscope, les mouvements générés par le moteur moléculaire. Des filaments sont greffés sur une surface de verre. Des petites billes artificielles de latex sont couvertes par des moteurs en très faible quantité. Par l'intermédiaire des moteurs, les billes ont tendance à s'attacher spécifiquement aux filaments. Lorsque le carburant est ajouté au système, les billes commencent à se déplacer le long des filaments. Pour chaque filament donné, les billes se déplacent dans le même sens car l'orientation du mouvement est donnée par la polarité des filaments.
L'étude des molécules in vitro ne se limite pas à l'observation des mouvements des molécules individuelles. Il est également possible de les manipuler en exerçant sur elles des forces extérieures et de mesurer les forces induites en utilisant des pinces optiques. Il s'agit de faisceaux lasers qui passent par l'objectif du microscope optique. Le faisceau est focalisé dans la région observée. La grande intensité de lumière et le fort champ électrique au focus du laser attirent les particules polarisées. En présence du focus, la bille subit une force qui l'attire. Si elle tente de se déplacer, elle doit le faire en travaillant contre cette force extérieure. Si le focus du laser suit le mouvement de la bille, la molécule de moteur est manipulée par l'application d'une force extérieure constante.
L'équipe américaine de Steve Block [Visscher, Schnitzer et Block, Nature 400, 184 (1999) et Schnitzer et Block, Nature 388, 386 (1999)] a suivi le mouvement de la bille par un laser, appliquant ainsi une force constante. L'observation du moteur à très grande résolution, quelques nanomètres, montre qu'il bouge de manière stochastique. Il bouge cependant en moyenne dans une direction en dépit des effets aléatoires et des fluctuations. Dans certaines conditions, il est possible d'observer que le moteur avance à petits bas qui correspondent à la périodicité des filaments sur lesquels il s'attache. La périodicité de 8 nm devient ainsi visible.
Cette technique de manipulation permet de caractériser des comportements mécaniques du moteur moléculaire au niveau d'une molécule individuelle. Il est possible d'imposer une force constante comme nous venons de l'expliquer, et de mesurer la vitesse moyenne réalisée par le système. Lorsqu'il n'y a pas de force extérieure qui s'exerce et que la concentration en carburant est assez élevée pour ne pas être limitante, la vitesse peut atteindre 1 micromètre par seconde. Si une force extérieure est appliquée et s'oppose au mouvement, le système va ralentir. Dans l'exemple que nous présentons, la force maximale que le système peut supporter est de quelques piconewton (1 pN = 10-12 N). Les forces générées par une seule molécule sont donc extrêmement faibles.
La contraction musculaire constitue notre second exemple de génération de mouvements et de forces par des molécules biologiques.
Un muscle est constitué d'un grand nombre de fibres parallèles. Chaque fibre musculaire est en fait une cellule vivante spécialisée pour créer des mouvements et se contracter. Une fibre musculaire observée plus en détail montre qu'elle est elle-même constituée de fibres plus petites appelées myofibrilles.
Chaque myofibrille contient des unités qui sont capables de se contracter : deux séries de tubes de filaments arrangés en parallèle. Il s'agit de filaments d'actine que nous avons déjà évoqués et de filaments créés par un assemblage de moteurs moléculaires appelés myosine. Les molécules de myosine interagissent en grand nombre avec l'actine et en présence de carburant elles font glisser les filaments les uns par rapport aux autres, créant la contraction de ces structures. Ces structures sont arrangées en série et en parallèle en très grand nombre ce qui permet la contraction musculaire à grande échelle que vous connaissez bien.
Il est possible de mesurer les phénomènes de génération de force des molécules de myosine sur l'actine au niveau d'une molécule individuelle. Dans un même temps, nous pouvons suivre comment les molécules de carburant sont consommées. [T. Yanagida, Cell 92, 161 (1998)]
Le principe de l'expérience est similaire à celui que nous avons présenté précédemment. Des moteurs de myosine purifiés sont attachés sur un substrat de verre. Deux pinces optiques sont utilisées pour manipuler un seul filament d'actine. Des billes sont attachées sur les filaments et deux focus de laser rapprochent les filaments des moteurs permettant de mesurer les mouvements des billes sous l'effet des forces extérieures et des moteurs.
Cette expérience permet également de mesurer la consommation de carburant en utilisant un carburant modifié fluorescent, capable d'émettre de la lumière lorsqu'il est éclairé par un laser. Un laser est placé en dessous du dispositif pour éclairer la région où se trouve le moteur. Lorsque le carburant se fixe au moteur il émet de la lumière. Le carburant est utilisé à très faible concentration pour pouvoir observer l'arrivée d'une molécule individuelle de carburant au niveau du moteur. Deux actions simultanées se produisent alors. Le filament se détache du moteur, ce qui est mesurable par le mouvement des billes, et de la lumière est émise par la molécule de carburant qui est éclairée. La réaction chimique se produit, le phosphate est coupé. Le moteur se fixe à nouveau au filament, le produit de la réaction chimique se détache du moteur au moment du mouvement du moteur et la lumière correspondant à la molécule de carburant s'éteint.
Cette expérience permet donc à la fois de suivre les très faibles déplacements de quelques nanomètres activement créés par la molécule individuelle, et d'observer le couplage direct avec la réaction chimique d'une seule molécule de carburant.
Ce qui est réellement observé, ce sont des traces lumineuses. Celle qui suit le mouvement de la bille présente des sauts très rapides qui correspondent aux changements du moteur. Ces derniers créent des petites déformations et des déplacements de 10 à 20 nanomètres. La trace qui suit la fluorescence émise par le carburant fait des sauts en même temps que le moteur, ce qui indique que le carburant a subi la réaction chimique et s'est détaché du moteur.
Les exemples que nous venons de voir constituent des moteurs linéaires qui se déplacent le long de filaments. Nous allons maintenant prendre un troisième exemple, celui d'une macromolécule capable de créer des rotations : un moteur rotatif. La structure de cette molécule, la synthase ATP qui produit l'ATP dans les cellules, est très complexe. Elle est constituée de deux parties. La première utilise un gradient de protons pour opérer une rotation à la suite de laquelle la seconde partie, appelée F1, utilise le travail mécanique de cette rotation pour créer le carburant ATP. La molécule est capable de se lier aux produits de la dégradation de l'ATP, ADP et P, pour créer à nouveau de l'ATP. La structure atomique de cette molécule est connue grâce aux travaux de diffusion de rayons X de John Walker qui a obtenu le prix Nobel en 1997 pour ces recherches.
L'équipe japonaise de Kinoshita [Kinoshita, Cell 93, 21 (1998)] a observé directement ces rotations. Les chercheurs ont purifié la partie F1 pour la greffer sur un substrat. Ils ont ensuite ajouté du carburant ATP. Le système travaille alors à l'envers et utilise l'ATP pour créer des rotations. Pour observer ces rotations, il faut attacher à la région qui tourne quelque chose de visible. Les chercheurs ont fixé par des techniques biochimiques un filament d'actine qui est suffisamment long pour être visible au microscope optique. Ils ont observé qu'en présence de carburant le filament tourne autour du point où se trouve le moteur. Il s'agit d'une preuve qu'une molécule individuelle peut produire des mouvements rotatifs. La synthase ATP constitue donc bien un moteur rotatif.
L'étude en détail des propriétés du mouvement rotatif de la synthase ATP permet de caractériser les propriétés stochastiques et mécaniques de ce système. À nouveau, l'expérience montre que les mouvements se font par petits pas selon un angle préférentiel de 120°. Le suivi de l'angle en fonction du temps montre ces pas et met en évidence que, de temps en temps, il y a des mouvements en arrière, des petites erreurs. Le système fonctionne donc de manière stochastique et « en moyenne » il tourne bien.
La connaissance de la structure atomique de la protéine synthase ATP permet d'avoir une certaine idée de comment le système change de conformation pendant qu'il tourne. Un modèle théorique a été développé. Il suppose qu'il y a trois angles préférés.
Quels sont maintenant les principes physiques qui sont à l'origine du fonctionnement d'un moteur qui travaille à l'échelle moléculaire individuelle. Nous allons discuter une certaine idée générale qui distingue ce genre de système ayant des moteurs macroscopiques.
Il y a deux conditions nécessaires pour qu'un système situé dans un environnement visqueux puisse produire des mouvements spontanés. Premièrement, la structure doit être asymétrique, c'est-à-dire qu'il doit y avoir une différence entre un mouvement vers la gauche et un vers la droite. Deuxièmement, une source d'énergie est indispensable pour bouger spontanément. Le principe de Curie (Pierre Curie) énonce que si ces deux conditions sont satisfaites, le système va bouger.
Par ailleurs, les moteurs à l'échelle moléculaire sont sujets à des fluctuations. Celles-ci peuvent être d'origine thermique. Ainsi, des petites molécules bougent de manière aléatoire, dans tous les sens, avec un mouvement très rapide, à température ambiante. D'autres fluctuations sont liées à la stochasticité et au fait que les réactions chimiques se passent de manière aléatoire.
Les chercheurs se sont demandés s'ils pourraient utiliser ces fluctuations et les transformer en mouvement dirigé par une certaine rectification. Dans les années 1960, Richard Freyman a eu l'idée d'utiliser un « cliquet thermique » pour rectifier les fluctuations. Il a utilisé une roue à dents avec des petites voiles placée dans un liquide à température ambiante. Des forces aléatoires agissent sur le dispositif et le font fluctuer dans les deux sens. Pour l'orienter dans une direction, il a utilisé une roue avec un cliquet qui bloque les mouvements ne permettant que les mouvements spontanés vers l'avant. Le mouvement est ainsi dirigé. Une source d'énergie est indispensable au mouvement. Le dispositif est placé en contact avec une différence de température qui fournit l'énergie nécessaire.


Pour appliquer ce genre de modèle au fonctionnement des moteurs macromoléculaires biologiques il faut apporter des modifications importantes. À l'échelle moléculaire il n'est pas possible, par exemple, de créer des gradients de température. Par contre, une structure asymétrique comme le filament, peut jouer le rôle de la roue à dents et du cliquet. La source d'énergie sera, dans ce cas, la réaction chimique. La répétition de la réaction chimique provoque la répétition du changement de conformation du moteur. Les changements de conformation sont sujets à des fluctuations qui peuvent être rectifiées grâce au filament asymétrique. Ce système est caractérisé comme un cliquet isothermique ayant comme source d'énergie la réaction chimique.
Il est possible de décrire la physique de la transduction de l'énergie chimique pour créer un mouvement du filament avec l'idée que la chimie induit des changements de conformation du moteur. Pour chaque conformation, on caractérise l'interaction entre le moteur et son filament par un paysage énergétique.
Un moteur avec une seule tête présente un état détaché qui ne contribue pas à la force et un état attaché avec un paysage énergétique dont les minima correspondent au site d'attachement. Le système trouve toujours les points où il est le mieux attaché. Le principe de Curie nous explique alors que si le système change périodiquement de conformation, il va avancer le long du filament.
Cette description peut être généralisée aux cas un peu plus complexes comme celui des moteurs à deux têtes identiques. Dans ce cas, une des têtes reste attachée au filament ce qui change le diagramme énergétique. De l'état relaxé, le diagramme va vers de nouveaux niveaux d'énergie où le système est mieux attaché. Le moteur avance le long du filament en changeant d'une tête à l'autre pendant qu'il avance.
Ce modèle permet une description quantitative du phénomène de transduction de l'énergie de sa forme chimique au travail mécanique. Il permet également de discuter la qualité de la transduction de l'énergie dans ces systèmes, qui est caractérisée par le rendement.


Le rendement correspond au travail produit par la molécule, divisé par l'énergie chimique consommée. L'énergie produite ne pouvant être plus grande que l'énergie consommée, l'optimum du rendement est 100 %. Cette quantité est en principe mesurable avec des techniques de micromanipulation. Par exemple, le travail mécanique est directement lié au produit de la force et de la vitesse qui sont mesurables, comme nous l'avons montré précédemment. L'énergie chimique consommée est liée à l'énergie libre de la réaction chimique qui prend place. Pour le cas du moteur rotatif, la synthase ATP, le rendement a été mesuré. Il est supérieur à 80 %, ce qui montre qu'un moteur travaillant en présence de fluctuations à très petite échelle, dans un environnement visqueux, est bien capable de transduire l'énergie avec un très bon rendement. Ce résultat est impressionnant.
Les moteurs et les macromolécules actives que nous avons présentés travaillent dans des cellules vivantes où ils ne sont pas seuls mais intégrés dans des structures complexes avec un très grand nombre d'autres protéines actives. Le grand nombre de protéines intégrées ensemble induit des comportements et des structures différents de ce qui est observé à l'échelle de la molécule individuelle. Nous allons donner maintenant quelques exemples de structures actives plus complexes et de leur comportement.
Le premier exemple est celui des cils et des flagelles. Les cils sont des structures ressemblant à des cheveux qui entourent par exemple un organisme unicellulaire. Ils sont capables de générer des mouvements, de battre périodiquement, permettant ainsi à des organismes unicellulaires de nager dans une solution. Des structures analogues à ces cils sont également trouvées dans la queue des spermatozoïdes. Ces structures sont très conservées, c'est-à-dire que de nombreux animaux différents ont des cellules très différentes possédant ces mêmes structures. Ces cils présentent des filaments, des microtubules, arrangés de manière très particulière. Neuf microtubules sont organisés pour former un cylindre de diamètre d'environ 300 nanomètres, visible en microscopie électronique. Sur chaque microtubule se trouvent des protéines, des moteurs, attachés à très haute densité. Ils connectent les microtubules voisins, créant des forces internes dans les structures. Ces forces font glisser les microtubules les uns par rapport aux autres ce qui permet des flexions. Les moteurs induisent le glissement et si celui-ci n'est pas possible il y a friction.
Le grand nombre de protéines présentes et couplées aux filaments élastiques, permet des effets collectifs. Par auto-organisation, la structure peut produire des comportements tels que des mouvements oscillatoires, des battements ou la génération d'ondes de flexion.
Le deuxième exemple est celui des cellules capables de détecter des stimuli mécaniques. Certaines cellules de l'oreille interne, la cochlée, sont capables de détecter les sons. Ces cellules spécialisées sont appelées des cellules ciliées car elles possèdent une structure particulière avec une touffe ciliaire. Celle-ci est constituée d'extensions ressemblent à des doigts, formées de filaments d'actine, qui sont connectées par des fibres extrêmement minces. Cette structure est capable de détecter des déformations très faibles de moins d'un nanomètre. Nous savons maintenant que ces structures ne sont pas seulement des détecteurs passifs, mais qu'ils sont aussi capables de créer des mouvements spontanés. Ils contiennent des protéines, des moteurs moléculaires, qui bougent spontanément pour amplifier les stimuli faibles.
Les macromolécules biologiques que nous avons décrites sont extraordinaires car elles correspondent à ce que les chercheurs tentent d'imiter en créant des systèmes artificiels. Les résultats obtenus à l'heure actuelle ne sont pas très avancés mais les premières démarches sont prometteuses. Les recherches que nous allons présenter maintenant ont pour objectif de réaliser des structures artificielles capables de travailler comme des moteurs moléculaires. S'il n'est pas encore possible de fabriquer avec les technologies de micro-structuration des objets artificiels de petite taille qui agissent comme les moteurs, il est possible d'utiliser un moteur biologique pour faire bouger un objet artificiel. Un groupe américain a ainsi créé des petits éléments d'un diamètre de quelques dizaines de nanomètres, en nickel, qui sont attachés à des moteurs actifs dans la synthèse de l'ATP. La molécule de synthase ATP est purifiée puis attachée par des techniques biochimiques spécifiques. Ils ont ensuite fabriqué des petites baguettes de quelques dizaines à centaines de nanomètres, en nickel également, qui sont attachées à la partie mobile. En présence du carburant biologique, l'ATP, le moteur biologique commence à tourner ce qui entraîne le mouvement des petites structures artificielles.


D'autres équipes tentent de réaliser des moteurs artificiels. Ils essaient pour cela d'imiter le modèle du cliquet thermique en réalisant une molécule complexe ayant les mêmes propriétés. La molécule est constituée de deux parties plus une sorte de voile à l'extérieur qui est attachée par une liaison covalente. La voile tourne, la deuxième partie de la molécule revient en avant et bloque un peu la rotation, créant un obstacle. Cette asymétrie permet d'orienter le mouvement dans une direction. Le système ne peut tourner spontanément sans une source d'énergie. L'agitation thermique permet une fluctuation mais insuffisante pour une rotation directionnelle dirigée. L'énergie a été fournie au système de manière similaire aux moteurs biologiques : il s'agit d'utiliser une réaction chimique qui modifie la molécule. À chaque pas chimique, la structure est changée un peu. Le moteur obtenu n'est pas très pratique car il ne tourne pas rapidement. En effet, il faut laver la solution et ajouter des substances à chaque pas chimique. Cet exemple permet cependant de montrer qu'en principe, un système artificiel de ce type est réalisable mais pas encore praticable sous cette forme. Il est extrêmement long et pas du tout efficace.


Les cellules vivantes utilisent depuis très longtemps des structures moléculaires complexes ayant des fonctions diverses. Elles sont capables de fabriquer ces structures d'une manière précise. L'objectif des nanotechnologies est de réaliser technologiquement des structures précises. La cellule va plus loin puisque l'information qui permet de fabriquer ces structures complexes à l'échelle moléculaire est stockée, sous forme d'information génétique, également à l'échelle moléculaire, sur les molécules d'ADN. Il existe dans les cellules vivantes un grand nombre de protéines qui sont responsables de l'édition de cette information : elles la lisent, la copient, la corrigent et enfin fabriquent les protéines.
L'information génétique est définie par la séquence de quatre groupes chimiques ou « lettres » constituant l'ADN. Cette structure a été proposée dans les années 1950 par Watson et Crick. Des machines dans la cellule, les ribosomes, ont pour rôle de lire la séquence du code génétique qui est constituée d'ensemble de trois lettres correspondant aux groupes chimiques constituant les protéines, les acides aminés. Le ribosome lit le triplet, cherche le bon groupement chimique et produit une chaîne d'acides aminés. La chaîne linéaire des acides aminés est appelée la structure primaire de la protéine. Elle correspond à ce qui est écrit dans le code génétique. Les attractions entre les acides aminés créent un repliement de la structure linéaire en hélice, ce qu'on appelle la structure secondaire. Les hélices se replient ensuite pour constituer une structure tridimensionnelle complexe appelée structure tertiaire. Plusieurs molécules très complexes vont ensuite s'auto-assembler et former le produit final, par exemple la synthase ATP.
Cette série de conférences sur les nanotechnologies présente les développements intéressants des microstructurations et des manipulations à petite échelle. Nous commençons à rêver de créer des systèmes un peu comparables à ceux présents dans les cellules vivantes. La complexité des systèmes fait que nous sommes encore très loin de seulement imiter ce que réussissent à faire les systèmes vivants. Les développements en nanotechnologies vont également fournir de nouvelles techniques pour observer et étudier les systèmes biologiques et mieux comprendre comment les cellules arrivent à réaliser ces phénomènes complexes à l'échelle moléculaire.
*Transcription réalisée par Juliette Roussel

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Paris, 17 avril 2013

Le séquençage du génome du coelacanthe africain éclaire l'évolution des tétrapodes et des vertébrés

Le génome du cœlacanthe africain, un poisson à nageoires charnues phylogénétiquement proche des mammifères terrestres et considéré comme un véritable « fossile vivant » vient d'être séquencé par une équipe internationale. Côté français c'est l'équipe Génomique évolutive des Poissons de l'Institut de génomique fonctionnelle de Lyon (ENS de Lyon/CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1) qui a participé à ces résultats publiés le 18/04/2013 dans la revue Nature. Le cœlacanthe africain qui a peu évolué au niveau morphologique lors des 300 derniers millions d'années pourrait ressembler à un des derniers ancêtres aquatiques du groupe des tétrapodes (les vertébrés avec deux paires de membres et à respiration pulmonaire, incluant les amphibiens, les oiseaux, les reptiles et les mammifères dont l'homme). La séquence de son génome va apporter des informations nouvelles sur l'évolution des tétrapodes et la transition évolutive entre milieu aquatique et colonisation du milieu terrestre par les vertébrés. L'équipe française a aussi découvert que le génome du cœlacanthe contenait environ 25% d'éléments transposables (des séquences d'ADN mobiles et répétées pouvant induire des mutations et considérées comme des moteurs puissants de l'évolution et de la biodiversité).
L'étude du génome du coelacanthe - ce fossile vivant - est capitale pour comprendre la transition évolutive associée à la colonisation du milieu terrestre par les vertébrés.
Le cœlacanthe est un poisson à nageoires charnues phylogénétiquement proche des mammifères terrestres, qui aurait peu évolué au niveau morphologique lors des 300 derniers millions d'années. On le pensait éteint il y a environ 70 millions d'années jusqu'à la découverte d'un spécimen de cœlacanthe vivant en 1938. De nos jours, deux espèces de ce « fossile vivant » ont été décrites, le cœlacanthe Africain Latimeria chalumnae et le coelacanth Indonésien Latimeria menadoensis.

Les gènes du coelacanthe évoluent lentement, ce qui pourrait expliquer le peu de changements morphologiques observés lors de l'évolution.
L'étude révèle que les dipneustes, des poissons à poumons, sont plus proches des tétrapodes que les cœlacanthes. La recherche de modifications génétiques associées à la colonisation du milieu terrestre par les tétrapodes met en évidence des changements dans des gènes impliqués dans l'immunité, l'excrétion d'azote et le développement des nageoires/membres, de la queue, de l'oreille, du cerveau et de l'odorat. Le peu de changements morphologiques observés pendant l'évolution du cœlacanthe suggère que le génome du cœlacanthe évolue lentement. En accord avec cette hypothèse, les analyses évolutives à l'échelle du génome indiquent que les gènes de cœlacanthe évoluent moins vite que les gènes de tétrapodes.

De manière plus surprenante, l'équipe Génomique évolutive des Poissons, dirigée par Jean-Nicolas Volff à l'Institut de génomique fonctionnelle de Lyon (IGFL), seule équipe française à avoir participé à cette étude internationale, a découvert que le génome du cœlacanthe contient environ 25% d'éléments transposables. Les transposons sont des séquences d'ADN mobiles et répétées qui peuvent induire des mutations et sont considérées comme des moteurs puissants de l'évolution et de la biodiversité. Les analyses démontrent que le cœlacanthe contient en fait plus de familles différentes d'éléments transposables que les oiseaux et les mammifères, certaines de ces familles ayant été actives pendant l'évolution du cœlacanthe et ayant façonné de manière significative son génome. Ainsi, ce dernier ne peut être considéré comme inerte au niveau évolutif malgré l'apparente absence de changements morphologiques majeurs pendant l'évolution. Cette observation questionne donc l'impact des éléments transposables sur l'évolution morphologique du coelacanthe. Le séquençage du génome de la seconde espèce connue de cœlacanthe, le coelacanthe Indonésien, devrait permettre d'affiner la compréhension de l'évolution des gènes et des éléments transposables dans le génome de ce fossile vivant.

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Paris, 26 juin 2013

Technologies de l'hydrogène : un procédé inédit pour l'exploitation d'enzymes comme catalyseurs

Pour la première fois, une équipe de recherche du CEA1, du Collège de France, du CNRS et de l'université Joseph Fourier à Grenoble, vient de mettre au point un procédé inédit et efficace qui permet d'activer in vitro une enzyme, l'hydrogénase, présente dans des microorganismes qui utilisent l'hydrogène comme source d'énergie. Ceci a été possible grâce à la combinaison d'approches de chimie biomimétique et de chimie des protéines. En termes d'applications, ces résultats permettront d'exploiter la grande variété des enzymes hydrogénases issues de la biodiversité, voire à plus long terme « d'inventer » des enzymes artificielles, catalyseurs potentiels pour les piles à combustibles ou pour la production d'hydrogène à partir d'énergies renouvelables.
Ces résultats sont publiés online sur le site de la revue Nature le 26 juin 2013.

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