Depuis que les spores bactériennes – des bactéries inertes et dormantes – ont été décrites pour la première fois il y a plus de 150 ans, des chercheurs de la Harvard Medical School aux États-Unis ont résolu une énigme pour les biologistes dans une nouvelle étude. Ils ont découvert une nouvelle classe de protéines de détection cellulaire qui permettent aux spores de détecter les nutriments présents dans leur environnement et de restaurer rapidement leur vitalité.
Il a été prouvé que ces protéines de détection sont des canaux ioniques qui traversent la membrane cellulaire et restent fermés pendant la dormance, mais s'ouvrent rapidement lorsqu'ils détectent des nutriments. Une fois ouverts, ces canaux ioniques permettent aux ions chargés de s'écouler à travers la membrane cellulaire, initiant la perte de la coque protectrice des spores et initiant les processus métaboliques après des années, voire des siècles de dormance. Ces découvertes pourraient aider à concevoir un moyen d'empêcher les spores bactériennes dangereuses de rester dormantes pendant des mois, voire des années, et de se réveiller à nouveau, ce qui entraîne une épidémie de maladie. Les résultats de recherche pertinents ont été publiés dans le numéro du 28 avril 2023 de la revue Science, sous le titre « Les récepteurs de réduction des spores de fond sont des canaux ioniques sensibles aux nutriments ».
David Rudner, auteur correspondant de l'étude et professeur de microbiologie à l'Institut Bravatnik de la Harvard Medical School, a déclaré : « Cette découverte a résolu un problème qui existait depuis plus d'un siècle. Lorsque les systèmes bactériens sont presque complètement enfermés dans cette enveloppe protectrice, comment les bactéries perçoivent-elles les changements dans l'environnement et prennent-elles des mesures pour rompre leur dormance ? »
Comment faire revivre les bactéries dormantes
Pour survivre dans des conditions environnementales défavorables, certaines bactéries entrent dans un état de dormance et deviennent des spores. Les processus biologiques sont suspendus et leurs cellules sont entourées de plusieurs couches de coquilles protectrices. Ces coquilles protectrices inertes permettent aux bactéries d'attendre la fin de la famine et de se protéger de la chaleur extrême, de la sécheresse, des rayons ultraviolets, des produits chimiques irritants et des antibiotiques.
Depuis plus d’un siècle, les scientifiques savent que lorsque les spores détectent des nutriments dans leur environnement, elles retirent rapidement leur enveloppe protectrice et rallument leurs moteurs métaboliques. Bien que les protéines de détection qui leur permettent de détecter les nutriments aient été découvertes il y a près de 50 ans, la méthode de transmission des signaux de réveil et la manière dont ces signaux déclenchent la récupération bactérienne restent un mystère.
Dans la plupart des cas, la transduction du signal repose sur l'activité métabolique et implique souvent des gènes codant des protéines pour fabriquer des molécules de signalisation spécifiques. Cependant, ces processus sont fermés au sein des bactéries dormantes, ce qui soulève la question de savoir comment ce signal induit la récupération des bactéries dormantes.
Dans cette nouvelle étude, Rudner et son équipe ont découvert que la protéine de détection des nutriments s'assemble elle-même dans un conduit, permettant aux cellules bactériennes de recommencer à fonctionner. Lorsqu'elles réagissent aux nutriments, ce pipeline (un canal ionique membranaire) s'ouvre, permettant aux ions de s'écouler hors de l'intérieur des spores. Cela déclenche une série de réactions, amenant les cellules dormantes à retirer leur enveloppe protectrice et à reprendre leur croissance.
Les auteurs ont utilisé diverses méthodes pour suivre les méandres de ce mystère. Ils ont déployé des outils d’intelligence artificielle pour prédire la structure de ce complexe de protéines de détection repliées, constitué de cinq copies de la même protéine de détection. Ils ont appliqué l’apprentissage automatique pour déterminer les interactions entre les sous-unités qui composent ce canal ionique. Ils ont également utilisé la technologie d’édition du génome pour inciter les bactéries à produire des mutants de protéines de détection, afin de tester le fonctionnement de la prédiction par ordinateur dans les cellules vivantes.
Rudner a déclaré : « Une chose que j'aime dans la science, c'est que lorsque vous faites une découverte, toutes ces observations sans rapport deviennent soudainement significatives. C'est comme lorsque vous faites un puzzle, vous trouvez la position d'un puzzle et soudainement, vous pouvez rapidement placer six autres pièces du puzzle.
Rudner a décrit le processus de découverte de cette étude comme une série d’observations déroutantes qui ont progressivement pris forme, grâce aux efforts collaboratifs d’un groupe de chercheurs ayant des perspectives différentes. Au cours de ce processus, ils ont constamment fait des observations surprenantes et déroutantes, qui laissaient entrevoir des réponses apparemment impossibles.
Assembler les indices
Lorsque Yongqiang Gao, chercheur au laboratoire Rudner, a mené une série d’expériences sur Bacillus subtilis, un premier indice est apparu. Gao a introduit les gènes d’autres bactéries sporulées dans Bacillus subtilis pour explorer l’idée selon laquelle les protéines mal assorties ainsi produites interféreraient avec la germination des spores. À sa grande surprise, Gao a découvert que dans certains cas, des spores bactériennes dormantes peuvent parfaitement se réveiller après avoir utilisé un ensemble de protéines provenant de bactéries éloignées.
Au cours de cette étude, Lior Artzi, postdoctorant au laboratoire Rudner, a fourni une explication à la découverte de Gao. Si ce type de protéine de détection est un récepteur, il agit comme une porte fermée avant de détecter un signal (dans ce cas, un nutriment tel que le sucre ou un acide aminé). Une fois que ces protéines de détection se lient aux nutriments, elles s'ouvrent, permettant aux ions de sortir des spores.
En d’autres termes, ces protéines provenant de bactéries ayant des relations génétiques éloignées n’ont pas besoin d’interagir avec les protéines de spores incompatibles de Bacillus subtilis, mais réagissent uniquement aux changements d’état électrique des spores lorsque les ions commencent à circuler.
Rudner était initialement sceptique quant à cette hypothèse, car ces récepteurs ne correspondaient pas à cette caractéristique. Ils n'ont presque aucune des caractéristiques des canaux ioniques. Cependant, Artzi pense que ces protéines de détection peuvent être composées de plusieurs sous-unités et fonctionner ensemble dans une structure plus complexe.
L'intelligence artificielle montre ses compétences
Jeremy Amon, postdoctorant au laboratoire Rudner, est l'un des premiers utilisateurs d'AlphaFold, un outil d'intelligence artificielle capable de prédire la structure des protéines et des complexes protéiques.
Cet outil d'intelligence artificielle prédit l'assemblage d'une sous-unité réceptrice spécifique en un anneau pentamère. La structure prédite comprend un canal situé au milieu qui permet aux ions de traverser la membrane de la spore. La prédiction de cet outil d'intelligence artificielle coïncide avec la supposition d'Artzi.
Gao, Artzi et Amon ont ensuite collaboré pour tester ce modèle généré par l'intelligence artificielle. Ils ont travaillé en étroite collaboration avec le postdoctorant Fernando Ramírez Guadiana du Rudner Lab, Andrew Kruse, professeur de biochimie et de pharmacologie moléculaire de la Harvard Medical School, et Deborah Marks, professeure agrégée de biologie des systèmes et biologiste computationnelle de la Harvard Medical School.
Ils ont utilisé les sous-unités réceptrices altérées pour modifier les spores, qui étaient censées élargir ce canal ionique membranaire et ont découvert que les spores se réveilleraient sans signaux nutritifs. À leur tour, ils ont produit des sous-unités réceptrices mutées, qui, selon eux, réduiraient la taille des pores du canal ionique. Ces spores n'ont pas réussi à ouvrir la porte pour libérer les ions et ont été incapables de se réveiller de leur état de repos même lorsque suffisamment de nutriments les ont incitées à sortir de leur dormance.
En d’autres termes, un léger écart par rapport à la configuration prévue du complexe protéique de détection replié peut provoquer l’ouverture ou la fermeture de la voie ionique, la rendant inutile comme outil pour réveiller les bactéries dormantes.
Impact sur la santé humaine et la sécurité alimentaire
Selon Rudner, comprendre comment les bactéries dormantes peuvent restaurer la vie n'est pas seulement un défi intellectuel tentant, mais a également un impact significatif sur la santé humaine. Certaines bactéries qui peuvent entrer dans un état de dormance profonde pendant une longue période sont des agents pathogènes dangereux, voire mortels : l'arme blanche poudreuse de l'anthrax est composée de spores bactériennes.
Un autre agent pathogène dangereux qui forme des spores est Clostridium difficile, qui provoque des diarrhées et des colites potentiellement mortelles. Les maladies causées par une infection à Clostridium difficile surviennent généralement après l'utilisation d'antibiotiques, qui peuvent tuer de nombreuses bactéries intestinales mais n'ont aucun effet sur les spores dormantes. Après le traitement, Clostridium difficile se réveille de son état dormant et peut proliférer en grande quantité, entraînant souvent des conséquences catastrophiques.
L’élimination des spores est également un défi majeur pour les usines de transformation alimentaire, car les bactéries dormantes peuvent résister au traitement de désinfection en raison de leur enveloppe protectrice et de leur état déshydraté. Si la désinfection n’est pas efficace, la germination et la croissance des spores peuvent provoquer de graves maladies d’origine alimentaire et d’énormes pertes économiques.
Comprendre comment les spores perçoivent les nutriments et se libèrent rapidement de la dormance peut permettre aux scientifiques de développer des méthodes qui déclenchent la germination des spores plus tôt, désinfectant potentiellement les bactéries ou empêchant la germination des spores, les piégeant dans leurs coquilles protectrices, empêchant la croissance, la prolifération et provoquant la détérioration des aliments ou des maladies.