Paris, 20 mai 2008

À quelle vitesse réagit une cellule stressée ?

Soumise à un stress, telle la modification de son environnement, une cellule réagit plus ou moins rapidement pour assurer sa survie. Chez la levure, cela passe par une succession de réactions connues, mais dont la dynamique n'avait jamais été étudiée. C'est désormais chose faite grâce au chercheur CNRS Pascal Hersen(1) et à ses collègues américains de l'Université de Harvard(2). Après avoir mis au point un dispositif de mesures simple et innovant, les scientifiques ont confirmé l'hypothèse selon laquelle au-delà d'une certaine fréquence de stimulation, la cellule de levure ne répond plus à un stress osmotique(3). Les chercheurs sont dorénavant capables de mesurer la vitesse de réaction pour ce stress, et surtout, de modifier celle-ci en supprimant certains gènes.
Ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives en ingénierie du vivant. L'idée est de construire des cellules aux fonctions biologiques novatrices et dont la dynamique est contrôlée. Ils sont publiés en ligne sur le site de la revue PNAS.
Il suffit d'un peu de sel sur une cellule pour que celle-ci rapetisse ! Ce phénomène s'explique par une différence de salinité entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule. Et, pour rétablir l'équilibre entre ces concentrations, la cellule largue de l'eau, ce qui réduit sa taille… Afin de retrouver une dimension normale, la cellule met en œuvre une série de réactions indispensables au bon fonctionnement de ses processus de régulation et d'adaptation. Chez la levure Saccharomyces cerevisiae, un système eucaryote(4) modèle, cette cascade est bien décrite. Mais sa dynamique reste méconnue. Or, une cellule se doit de réagir à la bonne vitesse pour assurer sa survie. Comprendre la dynamique de la réponse cellulaire à un stress environnemental est donc essentiel.

Pour cela, Pascal Hersen, chargé de recherche CNRS au Laboratoire "Matière et systèmes complexes" (CNRS / Université Paris 7), et ses collègues américains ont choisi d'étudier comment et à quelle vitesse la levure répond et s'adapte à un stress environnemental. Grâce à un dispositif simple permettant de suivre le comportement de cellules individuelles, ils ont créé un environnement qui introduit un déséquilibre de manière périodique. C'est ainsi qu'ils ont réussi à déterminer les propriétés dynamiques de la réponse cellulaire.

Première observation : lorsque la fréquence est trop élevée, la taille des cellules ne change pas. Le transfert d’eau à travers la membrane cellulaire n’a tout simplement pas le temps de se faire. A l’inverse, pour des fréquences plus faibles (introduction d'un déséquilibre toutes les 10 secondes), les cellules rapetissent et gonflent périodiquement en suivant fidèlement les fluctuations de ce déséquilibre. Toutefois, dans cette gamme de fréquence, la cascade de réactions n’a pas le temps d’être activée entre deux cycles. Il y a donc un découplage entre réponse mécanique et réponse biologique. Ce n'est qu'au-delà d'une période de l'ordre d'une dizaine de minutes que les réactions biologiques sont activées et se succèdent "naturellement", tout en étant couplées à la réponse mécanique de la cellule. Cette fréquence est donc caractéristique de la dynamique de réponse chez la levure, celle-ci étant incapable de suivre fidèlement les changements trop rapides de son environnement en-deçà de 10 minutes.

Enfin, en supprimant certains gènes de la levure, les chercheurs ont montré que cette cascade peut être ralentie significativement. Loin de s'arrêter en si bon chemin, ils espèrent comprendre comment l’abondance et la nature des protéines influent sur la dynamique de ces réactions, et pourraient, à terme, être capables de les accélérer ou de les ralentir. Cette maîtrise offre de nouvelles perspectives en biologie "synthétique"(5) pour concevoir des cellules aux fonctions novatrices, dont la dynamique de réponse face à un stress est contrôlée.

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Paris, 20 novembre 2007

Des plantes carnivores utilisent une "salive" élastique pour capturer leurs proies

Les plantes à urnes Nepenthes, dont les feuilles forment des entonnoirs, sont des plantes carnivores largement répandues dans les forêts tropicales d'Asie. Jusqu'à présent, on pensait qu'elles capturaient leurs proies grâce à un simple piège passif. Deux chercheurs du CNRS ont montré que c'est la salive gluante de ces plantes qui cause la perte finale de leurs victimes. Ce fluide contenu à l'intérieur des urnes possède les caractéristiques viscoélastiques idéales pour empêcher la fuite des proies, même lorsque il est dilué par de fortes pluies. Ce résultat est publié dans la revue PLoS ONE du 21 novembre 2007.
Les plantes carnivores se sont adaptées aux sols pauvres dans lesquels elles poussent en piégeant et digérant des insectes et autres petits arthropodes. Parmi elles, les plantes à urnes du genre Nepenthes vivent dans les forêts tropicales d'Asie. Jusqu'à présent, le mécanisme de leur piège restait mal compris : on pensait que les insectes glissaient sur la paroi interne des urnes puis étaient digérés grâce au liquide qu'elles contiennent. Laurence Gaume, du laboratoire Botanique et bioinformatique de l'architecture des plantes (CNRS/Université Monpellier2), et Yoël Forterre, de l'Institut universitaire des systèmes thermiques industriels (CNRS/Université Aix-Marseille), ont associé leur compétences en biologie des interactions plantes - insectes et en physique des fluides complexes pour montrer que le fluide digestif de Nepenthes rafflesiana joue en réalité un rôle crucial dans la capture des proies.
 
Les chercheurs ont filmé à la caméra rapide des mouches et des fourmis tentant de se débattre dans le liquide sécrété par la plante. Ils ont constaté que les mouches étaient rapidement recouvertes par le liquide et incapables de se déplacer, même lorsque le fluide était dilué à plus de 90 pour cent par de l'eau. Grâce à des mesures physiques sur le fluide, ils ont montré que ce phénomène provenait de la nature viscoélastique du fluide qui produit des filaments de fortes rétentions et ne laisse aucune chance aux insectes tombés dans l'urne. La forte viscoélasticité du fluide, même lorsqu'il est très dilué par les pluies, constitue un avantage important en zone tropicale.
 
Pour les insectes, ce fluide se comporte un peu comme du sable mouvant : plus ils se débattent, plus ils sont piégés. Sa consistance se rapproche du mucus ou de la salive qui, chez certains reptiles et amphibiens, remplit la même fonction de capture. La composition précise de ce fluide, unique dans le règne végétal, reste à déterminer : elle pourrait être à l'origine du développement de pesticides biocompatibles.

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Paris, 29 janvier 2014

Décrypter certains fossiles grâce aux terres rares

Il était jusqu'à présent très difficile de lire les fossiles « plats ». Une nouvelle approche permettant d'analyser de tels fossiles vient d'être mise au point par une équipe réunissant des chercheurs de l'unité Ipanema (CNRS / ministère de la Culture et de la Communication), du Centre de recherche sur la paléobiodiversité et les paléoenvironnements (CNRS / MNHN / UPMC) et du synchrotron SOLEIL. Cette méthode non destructrice s'appuie sur des éléments chimiques appelés terres rares : les localiser et les quantifier à l'état de traces suffit pour mieux décrypter la morphologie des fossiles. Les chercheurs ont ainsi pu décrire l'anatomie, mais aussi l'environnement à l'origine de la préservation de trois fossiles datant du Crétacé. Publiés le 29 janvier 2014 dans la revue Plos One, ces travaux devraient faciliter l'analyse des nombreux fossiles « plats », tout particulièrement ceux « à conservation exceptionnelle ».
Lors du processus de fossilisation les restes d'animaux ou de plantes sont souvent aplatis, comprimés en deux dimensions par la pression des roches, ce qui constitue parfois un réel obstacle à l'étude de ces fossiles. Autre difficulté : ces fossiles écrasés subissent des modifications physicochimiques au cours de leur fossilisation, compliquant leur lecture. Or, ces fossiles peuvent receler des informations inestimables. En particulier, quand l'anatomie y est bien conservée (on parle alors de fossiles « à conservation exceptionnelle »), des tissus « mous », tels les muscles, sont alors fossilisés. Mais localiser ces tissus reste particulièrement difficile du fait du contraste limité atteint en microscopie optique et des limites de la tomographie1, techniques aujourd'hui couramment utilisées pour étudier les fossiles.

Des chercheurs du CNRS, du MNHN et du synchrotron SOLEIL ont imaginé et mis au point une nouvelle approche non destructrice : elle repose sur la localisation de terres rares. Ces éléments chimiques (yttrium, lanthanides) sont connus pour être contenus à l'état de traces dans les fossiles, typiquement de 1 à 1000 microgrammes par gramme de matière. Or, selon le type de tissu, les quantités d'éléments traces incorporées lors de la fossilisation diffèrent. Cette fixation préférentielle permet de discriminer les parties anatomiques d'un fossile. Elle se matérialise par un contraste important des différents éléments chimiques selon les types de tissus du fossile lorsque celui-ci est caractérisé par imagerie de fluorescence X rapide sous rayonnement synchrotron2. Pour accélérer l'analyse, l'équipe a proposé une méthode rapide de différenciation des tissus, fondée sur la nature probabiliste des données mesurées.

Les scientifiques ont appliqué cette approche à trois fossiles (deux poissons et une crevette) découverts au Maroc et datant du Crétacé supérieur, il y a environ 100 millions d'années. Les contrastes ainsi mis en évidence permettent de distinguer les « tissus durs » (os ou carapaces) des « tissus mous » (muscles ou autres organes fossilisés). Ils ont notamment permis de révéler des particularités anatomiques, jusqu'ici cachées, d'un poisson fossile connu par un unique spécimen, dont l'un des os du crâne a pris la forme d'une large lame dentée.

Cette nouvelle approche permet de visualiser en détail et avec précision l'anatomie d'un fossile sans le dénaturer et sans avoir besoin de préparer finement l'échantillon au préalable. Elle est particulièrement adaptée aux fossiles aplatis étant donné que les rayons X pénètrent quelques fractions de millimètres à l'intérieur du fossile. Cette technique a également révélé certains os cachés sous une fine couche de roche, permettant ainsi leur visualisation directe. Elle a permis par exemple de visualiser certains appendices cachés d'une crevette fossile, tels que les pattes ou les antennes, qui portent des informations importantes pour étudier ses relations de parenté avec les autres crevettes. Par ailleurs, les teneurs en terres rares reflètent l'environnement dans lequel un fossile est préservé : la connectivité aux réseaux d'eau environnants, les conditions physico-chimiques locales et les propriétés des phases minérales constituant les fossiles, qui peuvent ainsi être mieux décrites.

Ces travaux devraient donc faciliter l'interprétation des fossiles « plats » très fréquents dans le registre fossile. Ils ouvrent de nouvelles perspectives pour les études paléoenvironnementales mais également pour mieux comprendre les processus de fossilisation à long terme.

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LES ÉGOUTS ET L'ÉVACUATION DES DÉCHETS

Après de nombreux siècles où l'alimentation en eau de Paris, et par voie de conséquence, son réseau d'égout sont restés fort limités, un essor considérable a été donné au réseau au milieu du 19e siècle, et il s'est poursuivi jusqu'à aujourd'hui. Parmi les projets initiaux, certains prévoyaient la création d'une ville souterraine, où seraient réalisées nombreuses des basses besognes nécessaires au fonctionnement et au prestige de la partie visible (et "hygiénisée") de la ville. Les réseaux souterrains devaient ainsi assurer le transport de l'eau mais aussi de nombreuses marchandises ou déchets. Dans le même temps, l'alimentation en eau potable généralisée, et l'élimination des eaux souillées hors de la ville, devenait un objectif prioritaire pour des raisons sanitaires. Les épidémies de choléra du milieu du siècle furent un des facteurs déclenchant le développement des projets de Belgrand à l'époque ou Haussmann rénovait la partie visible de Paris. Une particularité des égouts de Paris est la taille des canalisations, qui les rend en tout point visitables, ce qui leur confère un cachet tout particulier. Ils ont d'ailleurs toujours été visités, par les égoutiers chargés de leur entretien en premier lieu, mais aussi par de nombreux visiteurs qui accèdent aujourd'hui au musée des égouts situé dans le réseau. Dans la dernière partie du 19e siècle fut instauré le principe du tout-à-l'égout, mais sa mise en oeuvre complète, visant à l'élimination de toutes les fosses chez les particuliers, dura plusieurs décennies et se poursuivit au début du 20ième siècle. Le réseau devint unitaire, évacuant à la fois les eaux usées et les eaux de chaussées (eaux du lavage de rues, eaux de ruissellement pluvial etc.). Pour des raisons techniques, et pour éviter des déversements en Seine à l'intérieur de Paris, Belgrand a basé l'architecture du réseau sur un collecteur central qui rejoignait directement la Seine à Clichy.
Le développement de la ville, et la mise en oeuvre du tout-à-l'égout ont considérablement augmenté la quantité de pollution déversée. A la fin du 19ième siècle, une solution basée sur l'épuration par le sol fut développée pour traiter les eaux avant leur arrivée en Seine. Des champs d'épandage furent installés dans la presqu'île de Gennevilliers puis plus à l'aval (Achères, Triel…), la ville de Paris devint propriétaire fermier et favorisait une intense activité de maraîchage. Au moment de l'exposition universelle à la toute fin du siècle, presque toutes les eaux collectées étaient envoyées vers les champs d'épandage. Cependant, la course en avant devait continuer, de plus en plus d'eau étant utilisée et devant être évacuée puis traitée dans une ville en constante expansion, alors que la pression foncière réduisait la superficie des champs d'épandage. Dès le début du 20ième, les rejets d'eaux usées en Seine reprirent de plus belle. Après de nombreux essais menés sur les pilotes par la ville de Paris, la première station d'épuration moderne à boues activées fut construite à Achères en 1938 (aujourd'hui "Seine-Aval"), et ne fut réellement alimentée que plusieurs années après la guerre. Dans les filières de traitement d'une telle station, comme dans le sol, des micro-organismes se développent en digérant les matières organiques et les transforment en gaz carbonique et en sels. Les matières solides transportées dans l'eau des égouts et les micro-organismes produits au cours du traitement sont rassemblés pour constituer les boues d'épuration. D'autres filières sont chargées du traitement des boues qui sont épaissies, pressées, éventuellement digérées avant d'être épandues sur des terres agricoles, mises en décharge ou encore incinérées. Depuis la fin de la deuxième guerre mondiale, le processus de construction de nouveaux réseaux et de nouvelles stations de traitement des eaux n'a cessé de se développer. A partir des années 70, on cessa de créer des réseaux unitaires pour passer au système séparatif. Dans un réseau séparatif, les eaux pluviales sont collectées dans un réseau séparé des eaux usées domestiques ou industrielles. Les eaux pluviales sont évacuées directement vers le milieu récepteur, alors que les eaux usées sont envoyées vers les stations d'épuration. Un avantage très significatif de ce type de collecte est que les flots reçus par les stations de traitement sont beaucoup plus réguliers, et qu'il n'y a pas de risques de surcharge du système en temps de pluie. Par contre, ce système nécessite une surveillance accrue des "mauvais branchements" d'eaux usées sur le réseau pluvial, et ne permet pas de traiter les eaux de ruissellement qui peuvent être fortement contaminées. Les stations de traitement sont devenues plus efficaces et plus flexibles dans leur gestion, ce qui permet notamment de traiter une fraction toujours croissante des eaux de temps de pluie dans les réseaux anciens unitaires, et de résoudre en grande partie graves problèmes dues aux déversements de temps de pluie dans le réseau unitaire. De nouvelles stations ont été construites en différents points de l'agglomération parisienne pour des raisons techniques, parce qu'il devenait techniquement difficile d'acheminer les eaux sur de très longues distances vers un point de traitement unique à l'aval, mais aussi pour des raisons éthiques et politiques pour que soit mieux partagées les nuisances dues au traitement. Le devenir des boues est toujours un problème aujourd'hui car elles peuvent contenir des contaminants persistants en quantité excessive. Alors que les matières organiques contenues dans les boues constituent des amendements utiles aux cultures, les contaminations doivent être évitées. Des efforts très importants ont été faits dans l'agglomération parisienne pour limiter le rejets de contaminants dans le réseau. Cette politique de réduction à la source a porté ses fruits puisque les teneurs en certains métaux dans les boues de la station "Seine-Aval" ont diminué de plus qu'un facteur 10 en 20 ans. L'évolution actuelle va vers des réseaux et des méthodes de traitement plus diversifiées. Le développement de stations de traitement va se poursuivre en différents points de l'agglomération parisienne, alors que l'interconnexion du réseau unitaire devient une réalité, qui permet une meilleure gestion des eaux en temps de pluie. Dans le même temps les eaux pluviales sont de plus en plus souvent retenues ou traitées à l'amont des bassins versants pour limiter le ruissellement excessif. Il aura donc fallu plus d'un siècle pour que la grande ligne directrice "tout vers l'aval" qui avait été instaurée par Belgrand soit remise en cause. Il aura fallu un siècle également pour que l'objectif "zéro rejets par temps", atteint au début du siècle lors de l'exposition universelle, soit de nouveau atteint. Le réseau d'assainissement fait donc bien partie de ces patrimoines techniques urbains fondamentaux qu'il faut gérer aujourd'hui en pensant aux générations futures.

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