Lorsque vous êtes né, vous avez hérité de la moitié de vos gènes de votre mère et de l'autre moitié de votre père. C'est ton lot. Ces fragments d'ADN hérités resteront avec vous pendant toute votre vie, sans ajouts ou omissions supplémentaires. Vous ne pouvez avoir aucun de mes gènes et je ne peux acquérir aucun des vôtres.
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Mais imaginons un monde différent où amis et collègues peuvent échanger des gènes à volonté. Si votre patron a un gène qui la rend résistante à divers virus, vous pouvez l'emprunter. Si votre enfant a un gène qui le rend vulnérable aux maladies, vous pouvez l'échanger contre une version plus saine. Si des parents éloignés ont un gène qui leur permet de mieux digérer certains aliments, c'est le vôtre. Dans ce monde, les gènes ne sont pas seulement des héritages à transmettre verticalement d'une génération à l'autre, mais des produits à échanger horizontalement, d'un individu à l'autre.
C'est exactement le monde dans lequel vivent les bactéries. Elles peuvent échanger leur ADN aussi facilement que nous pourrions échanger des numéros de téléphone, de l'argent ou des idées. Parfois, ils se glissent l'un contre l'autre, créent un lien physique et transmettent des fragments d'ADN: leur équivalent de sexe. Ils peuvent également récupérer des fragments d'ADN abandonnés dans leur environnement, laissés par leurs voisins morts et en décomposition. Ils peuvent même compter sur des virus pour déplacer des gènes d’une cellule à l’autre. L'ADN circule si librement entre eux que le génome d'une bactérie typique est marqué de gènes hérités de ses pairs. Même les souches étroitement apparentées pourraient avoir des différences génétiques importantes.
Les bactéries effectuent ces transferts de gènes horizontaux, ou HGT en abrégé, depuis des milliards d'années. Mais ce n'est que dans les années 1920 que les scientifiques ont compris pour la première fois ce qui se passait. Ils ont remarqué que des souches inoffensives de pneumocoques pouvaient soudainement provoquer une maladie après avoir été mêlées aux restes morts et dépulpés de souches infectieuses. Quelque chose dans les extraits les avait changés. En 1943, Oswald Avery, un «révolutionnaire silencieux» et microbiologiste, montra que ce matériel de transformation était un ADN, que les souches non infectieuses avaient absorbé et intégré dans leur propre génome. Quatre ans plus tard, un jeune généticien du nom de Joshua Lederberg (qui popularisa plus tard le mot «microbiome») a montré que les bactéries peuvent commercialiser l'ADN plus directement.
Je contient des multitudes: les microbes en nous et une vision plus vivante de la vie
AcheterSoixante ans plus tard, nous savons que la HGT est l’un des aspects les plus profonds de la vie bactérienne. Cela permet aux bactéries d'évoluer à une vitesse fulgurante. Lorsqu'ils font face à de nouveaux défis, ils n'ont pas à attendre que les bonnes mutations se forment lentement dans leur ADN existant. Ils peuvent simplement emprunter des adaptations en gros, en récupérant des gènes de passants qui se sont déjà adaptés aux défis à relever. Ces gènes comprennent souvent des ensembles de restauration pour décomposer des sources d'énergie inexploitées, des boucliers de protection contre les antibiotiques ou des arsenaux pour infecter de nouveaux hôtes. Si une bactérie innovante développe l'un de ces outils génétiques, ses voisins peuvent rapidement obtenir les mêmes caractères. Ce processus peut transformer instantanément les microbes des résidents intestinaux inoffensifs en monstres pathogènes, des Jekylls pacifiques en de sinistres Hydes.
Ils peuvent également transformer des agents pathogènes vulnérables qui sont faciles à tuer en «superbactéries» cauchemardesques qui ignorent même nos médicaments les plus puissants. La propagation de ces bactéries résistantes aux antibiotiques est sans aucun doute l’une des plus grandes menaces pour la santé publique du XXIe siècle, et elle témoigne du pouvoir débridé de HGT.
Les animaux ne sont pas si rapides. Nous nous adaptons aux nouveaux défis de la manière habituelle, lente et régulière. Les individus avec des mutations qui les laissent mieux adaptés aux défis de la vie ont plus de chances de survivre et de transmettre leurs dons génétiques à la génération suivante. Au fil du temps, les mutations utiles deviennent plus courantes, tandis que les mutations nuisibles disparaissent. C'est la sélection naturelle classique - un processus lent et régulier qui affecte les populations et non les individus. Les faucons des frelons, et les humains peuvent progressivement accumuler des mutations bénéfiques, mais ce frelon, ou ce faucon spécifique, ou ces humains particuliers ne peuvent pas acquérir des gènes bénéfiques pour eux-mêmes.
Sauf que parfois, ils peuvent. Ils pourraient échanger leurs microbes symbiotiques et acquérir instantanément un nouvel ensemble de gènes microbiens. Ils peuvent amener de nouvelles bactéries en contact avec celles de leur corps, de sorte que des gènes étrangers migrent dans leur microbiome, conférant ainsi à leurs microbes natifs de nouvelles capacités. À des occasions rares mais dramatiques, ils peuvent intégrer des gènes microbiens dans leurs propres génomes.
Des journalistes enthousiastes aiment parfois prétendre que HGT défie la vision de Darwin de l'évolution en permettant aux organismes d'échapper à la tyrannie de l'héritage vertical. («Darwin avait tort», a proclamé à tort une infâme couverture de New Scientist .) Ce n'est pas vrai. HGT ajoute une nouvelle variation dans le génome d'un animal, mais une fois que ces gènes sauteurs arrivent dans leur nouvelle maison, ils sont toujours soumis à une bonne sélection naturelle.
Les nuisibles meurent avec leurs nouveaux hôtes, tandis que les bénéfiques sont transmis à la génération suivante. C’est aussi classique que darwinien: vanille dans sa saveur et exceptionnelle que par sa rapidité. En nous associant à des microbes, nous pouvons accélérer l'adagio lent et délibéré de notre musique évolutive à son allégro vif et vivant.
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Le long des côtes du Japon, une algue brun rougeâtre s'accroche à des rochers balayés par les marées. C'est Porphyra, mieux connu sous le nom de nori, qui remplit les estomacs japonais depuis plus de 1 300 ans. Au début, les gens l'ont moulu en une pâte comestible. Plus tard, ils l'ont aplatie en feuilles, qu'ils ont enroulée autour d'un morceau de sushi. Cette pratique se poursuit aujourd'hui et la popularité de nori s'est répandue dans le monde entier. Pourtant, il a un lien particulier avec le Japon. Le long héritage du pays en matière de consommation de nori a laissé ses habitants particulièrement bien équipés pour digérer les légumes de mer. Nous n'avons pas d'enzymes capables de décomposer les algues, pas plus que la plupart des bactéries présentes dans nos tripes.
Mais la mer regorge de microbes mieux équipés. L'une d'entre elles, une bactérie appelée Zobellia galactanivorans, a été découverte il y a à peine une décennie, mais elle mange des algues depuis bien plus longtemps. Imaginez Zobellia, il y a plusieurs siècles, vivant dans les eaux japonaises côtières, assis sur un morceau d'algue et le digérant. Soudain, son monde est déraciné. Un pêcheur collecte les algues et les utilise pour faire de la pâte de nori. Sa famille a englouti ces morceaux, et ce faisant, ils ont avalé Zobellia . La bactérie se retrouve dans un nouvel environnement. De l'eau salée fraîche a été substituée aux sucs gastriques. Sa coterie habituelle de microbes marins a été remplacée par des espèces étranges et inconnues. Et comme il se mêle à ces inconnus exotiques, il fait ce que les bactéries font habituellement quand elles se rencontrent: elles partagent leurs gènes.
Nous savons que cela est dû au fait que Jan-Hendrick Hehemann a découvert l’un des gènes de Zobellia dans une bactérie intestinale appelée Bacteroides plebeius . La découverte a été un choc total: que pouvait bien faire un gène marin dans les intestins d’un être humain qui s’est terrassé? La réponse implique HGT. La zobellia n'est pas adaptée à la vie dans le ventre, alors quand elle est arrivée sur des morceaux de nori, elle n'a pas collé. Mais au cours de son bref mandat, il aurait facilement pu faire don de certains de ses gènes à B. plebeius, y compris ceux qui construisent des enzymes digérant les algues, appelées porphyranases.
Soudainement, ce microbe intestinal a réussi à dégrader les glucides uniques contenus dans le nori et à se régaler de cette source d’énergie exclusive que ses pairs ne pourraient utiliser. Hehemann a découvert qu'il est rempli de gènes dont les plus proches contreparties existent dans les microbes marins plutôt que dans d'autres espèces à base d'intestin. En empruntant de manière répétée des gènes à des microbes marins, il est devenu apte à digérer les légumes marins.
B. plebeius n'est pas le seul à voler des enzymes marines. Les Japonais mangent du nori depuis si longtemps que leurs microbes intestinaux sont parsemés de gènes digestifs d'espèces océaniques. Il est toutefois peu probable que de tels transferts se poursuivent: les chefs modernes rôtissent et cuisinent du nori en incinérant les microbes faisant l'auto-stop. Les clients des siècles passés ont seulement réussi à importer de tels microbes dans leurs tripes en mangeant des aliments crus.
Ils ont ensuite transmis à leurs enfants leurs microbes intestinaux, chargés maintenant de gènes de porphyranase anti-algues. Hehemann a vu des signes du même héritage se passer aujourd'hui. L'une des personnes qu'il a étudiées était une petite fille non sevrée, qui n'avait jamais mangé une gorgée de sushi de sa vie. Et pourtant, ses bactéries intestinales avaient un gène de porphyranase, tout comme celui de sa mère. Ses microbes sont venus pré-adaptés pour dévorer nori.
Hehemann a publié sa découverte en 2010 et reste l’une des histoires de microbiome les plus marquantes du moment. Juste en mangeant des algues, les diners japonais des siècles derniers ont réservé un groupe de gènes digestifs lors d’un incroyable voyage d’un océan à l’autre. Les gènes se sont déplacés horizontalement des microbes marins aux intestins, puis verticalement d'un intestin à un autre. Leurs voyages sont peut-être allés encore plus loin. Au début, Hehemann ne pouvait trouver que les gènes des porphyranases dans les microbiomes japonais et non nord-américains. Cela a maintenant changé: certains Américains ont clairement les gènes, même ceux qui ne sont pas d'origine asiatique.
Comment est-ce arrivé? B. plebeius at- il sauté des tripes japonaises aux américaines? Les gènes proviennent-ils d'autres microbes marins qui s'enfuient à bord de différents aliments? Les Gallois et les Irlandais utilisent depuis longtemps les algues Porphyra pour confectionner un plat appelé «laver». auraient-ils pu acquérir des porphyranases qu'ils ont ensuite transportées à travers l'Atlantique? Pour l'instant, personne ne le sait. Mais le schéma "suggère qu'une fois que ces gènes ont atteint l'hôte initial, où qu'ils se produisent, ils peuvent se disperser entre les individus", explique Hehemann.
C'est un exemple glorieux de la vitesse d'adaptation conférée par HGT. Les humains n'ont pas besoin de développer un gène capable de décomposer les glucides contenus dans les algues; Si nous avalons suffisamment de microbes capables de digérer ces substances, il y a toutes les chances pour que nos propres bactéries «apprennent» comment utiliser HGT.
La HGT dépend de la proximité, et nos corps développent la proximité à grande échelle en rassemblant des microbes en une foule dense. On dit que les villes sont des pôles d'innovation car elles concentrent les personnes au même endroit, permettant aux idées et aux informations de circuler plus librement. De la même manière, les corps d’animaux sont des pôles d’innovation génétique car ils permettent à l’ADN de s’écouler plus librement entre des masses microbiennes entassées. Fermez les yeux et imaginez des écheveaux de gènes se propageant dans votre corps, transmis d'un microbe à un autre. Nous sommes des marchés animés, où les négociants en bactéries échangent leurs produits génétiques.
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Les corps animaux abritent tellement de microbes que parfois, leurs gènes pénètrent dans nos génomes. Et parfois, ces gènes confèrent à leurs nouveaux hôtes des capacités incroyables.
Le dendroctone du caféier est un organisme nuisible qui a incorporé un gène bactérien dans son propre génome, ce qui permet à ses larves de digérer les banquets luxuriants d'hydrates de carbone contenus dans les grains de café. Aucun autre insecte - pas même les parents très proches - n'a le même gène ou quoi que ce soit du genre; seules les bactéries le font. En sautant dans un ancien foreur de café, le gène a permis à ce coléoptère sans prétention de se répandre dans les régions productrices de café du monde entier et de devenir une douleur royale pour l'espresso.
Les agriculteurs ont donc des raisons de détester HGT - mais aussi des raisons de le célébrer. Pour un groupe de guêpes, les braconides, les gènes transférés ont permis une forme bizarre de contrôle des parasites. Les femelles de ces guêpes pondent leurs œufs dans des chenilles encore vivantes, que leurs jeunes dévorent ensuite vivantes. Pour donner un coup de main aux vers, les femelles injectent également des virus dans les chenilles, qui inhibent leur système immunitaire. Ce sont des bracovirus, et ils ne sont pas seulement des alliés des guêpes: ils font partie des guêpes. Leurs gènes se sont complètement intégrés au génome du braconidé et sont sous son contrôle.
Les bracovirus sont des virus domestiqués! Ils dépendent entièrement des guêpes pour leur reproduction. Certains pourraient dire qu'ils ne sont pas de vrais virus, ils sont tous; ce sont presque des sécrétions du corps de la guêpe plutôt que des entités à part entière. Ils doivent être issus d'un ancien virus dont les gènes se sont glissés dans l'ADN d'un braconidé ancestral et y sont restés. Cette fusion a donné naissance à plus de 20 000 espèces de guêpes braconidées, qui possèdent toutes un génome de bracovirus - une immense dynastie de parasites qui utilise des virus symbiotiques comme armes biologiques.
D'autres animaux ont utilisé des gènes transférés horizontalement pour se défendre des parasites. Après tout, les bactéries sont la source ultime d'antibiotiques. Ils se font la guerre depuis des milliards d’années et ont inventé un vaste arsenal d’armes génétiques pour vaincre leurs rivaux. Une famille de gènes, connue sous le nom de tae, fabrique des protéines qui perforent les parois externes des bactéries, provoquant des fuites fatales. Celles-ci ont été développées par des microbes pour être utilisées contre d'autres microbes. Mais ces gènes ont également trouvé leur chemin chez les animaux. Les scorpions, les acariens et les tiques les ont. Il en va de même des anémones de mer, des huîtres, des puces d’eau, des patelles, des limaces de mer et même de la lancette - un parent très proche d’animaux à l'arrière comme nous.
La famille tae illustre le type de gènes qui se propagent très facilement par le biais de HGT. Ils sont autonomes et n'ont pas besoin de la présence d'autres gènes pour faire leur travail. Ils sont également universellement utiles, car ils fabriquent des antibiotiques. Chaque être vivant doit lutter contre les bactéries. Ainsi, tout gène permettant à son propriétaire de contrôler les bactéries plus efficacement trouvera un emploi rémunérateur tout au long de l'arbre de la vie. S'il peut faire le saut, il a de bonnes chances de s'imposer comme une partie productive de son nouvel hôte. Ces sauts sont d’autant plus impressionnants que nous, humains, dotés de toute notre intelligence et de toutes les technologies, luttons pour créer de nouveaux antibiotiques. Nous sommes tellement déconcertés que nous n'avons pas découvert de nouveaux types depuis des décennies. Mais des animaux simples comme les tiques et les anémones de mer peuvent fabriquer leurs propres créations, réalisant instantanément ce que nous avons besoin de nombreuses séries de recherche et développement - tout au long du transfert de gènes horizontal.
Ces histoires décrivent la HGT comme une force additive, qui infuse à la fois les microbes et les animaux de nouveaux pouvoirs merveilleux. Mais cela peut aussi être soustractif. Le même processus qui confère des capacités microbiennes utiles aux animaux receveurs peut entraîner le dépérissement et la dégradation des microbes eux-mêmes, au point de les faire disparaître complètement et de ne laisser que leur héritage génétique.
La créature qui illustre le mieux ce phénomène se trouve dans les serres et les champs du monde entier, au grand dam des agriculteurs et des jardiniers. C'est la cochenille des agrumes: un petit insecte suceur de sève qui ressemble à un flocon de pellicules ou à un cloporte qui a été saupoudré de farine. Paul Buchner, cet érudit super-industrieux des symbiotes, a rendu visite au clan de la cochenille farineuse lors de sa visite du monde des insectes. Sans surprise, il a trouvé des bactéries dans leurs cellules. Mais, plus inhabituel, il a également décrit «des globules mucilagineux arrondis ou longs dans lesquels les symbiotes sont profondément incrustés». Ces globules ont dépéri dans l'obscurité pendant des décennies jusqu'en 2001, lorsque les scientifiques ont appris qu'ils n'étaient pas que des maisons pour bactéries. C'étaient des bactéries elles-mêmes.
La cochenille aux agrumes est une matriochka vivante. Il y a des bactéries qui vivent à l'intérieur de ses cellules, et ces bactéries ont plus de bactéries qui vivent à l'intérieur. Bugs entre bugs entre bugs. Le plus gros s'appelle désormais Tremblaya d’ après Ermenegildo Tremblay, un entomologiste italien qui a étudié avec Buchner. Le plus petit s'appelle Moranella d’après Nancy Moran, lutteuse de pucerons. ("C'est une sorte de petite chose pathétique qui porte le nom de toi, " me dit-elle avec un sourire.)
John McCutcheon a expliqué l'origine de cette étrange hiérarchie et ses rebondissements sont presque incroyables. Cela commence par Tremblaya, la première des deux bactéries à coloniser les cochenilles. Il est devenu résident permanent et, à l'instar de nombreux insectes symbiotes, il a perdu des gènes importants pour une existence en liberté. Dans le confort de son nouvel hôte, il pourrait se permettre de se débrouiller avec un génome plus simple. Lorsque Moranella rejoignit cette symbiose à double sens, Tremblaya pouvait se permettre de perdre encore plus de gènes, en sachant que le nouvel arrivant prendrait la relève. Ici, HGT est plus sur l'évacuation des gènes bactériens d'un navire chavirant. Il préserve des gènes qui seraient autrement perdus dans l'inévitable désintégration qui affecte les génomes des symbiotes.
Par exemple, les trois partenaires coopèrent pour produire des nutriments. Pour créer l'acide aminé phénylalanine, ils ont besoin de neuf enzymes. Tremblaya peut construire 1, 2, 5, 6, 7 et 8; Moranella peut faire 3, 4 et 5; et la cochenille seule fait le 9ème. Ni la cochenille ni les deux bactéries ne peuvent fabriquer elles-mêmes de la phénylalanine; ils dépendent les uns des autres pour combler les lacunes de leurs répertoires. Cela me rappelle la mythologie grecque des Grottes: les trois soeurs qui partagent un œil et une dent entre elles. N'importe quoi de plus serait redondant: leur arrangement, bien qu'étrange, leur permet toujours de voir et de mâcher. Il en va de même pour la cochenille farineuse et ses symbiotes. Ils se sont retrouvés avec un seul réseau métabolique, réparti entre leurs trois génomes complémentaires. Dans l'arithmétique de la symbiose, un plus un plus un peut être égal à un.
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Le monde qui nous entoure est un gigantesque réservoir de partenaires microbiens potentiels. Chaque bouchée peut apporter de nouveaux microbes qui digèrent une partie de nos repas qui était auparavant incassable, ou qui détoxifient les poisons contenus dans un aliment précédemment non comestible, ou qui tuent un parasite qui supprimait auparavant nos chiffres. Chaque nouveau partenaire pourrait aider son hôte à manger un peu plus, à voyager un peu plus loin, à survivre un peu plus longtemps.
La plupart des animaux ne peuvent pas puiser délibérément dans ces adaptations open-source. Ils doivent compter sur la chance pour les doter des bons partenaires. Mais nous, les humains, ne sommes pas si restreints. Nous sommes des innovateurs, des planificateurs et des solutionneurs de problèmes. Et nous avons un énorme avantage qui manque à tous les autres animaux: nous savons que les microbes existent! Nous avons conçu des instruments qui peuvent les voir.
Nous pouvons les faire pousser délibérément. Nous avons des outils qui peuvent déchiffrer les règles qui régissent leur existence et la nature de leurs partenariats avec nous. Et cela nous donne le pouvoir de manipuler ces partenariats intentionnellement. Nous pouvons remplacer les communautés de microbes en perte de vitesse par de nouvelles qui mèneront à une meilleure santé. Nous pouvons créer de nouvelles symbioses qui combattent les maladies. Et nous pouvons rompre les alliances séculaires qui menacent nos vies.
Le livre à paraître contient: "Les microbes en nous et une vision grander de la vie" de Ed Yong. Copyright © 2016 par Ed Yong. À paraître le 9 août par Ecco, une empreinte de HarperCollins Publishers. Réimprimé avec permission .
