Découverte : certaines bactéries auraient elles aussi une horloge biologique (rythme circadien)

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Chez de nombreux êtres vivants, des animaux aux plantes, le rythme circadien joue un rôle clé dans la dynamique et la régulation des processus biologiques. Chez l’Homme, par exemple, ce cycle de 24 heures agit sur les niveaux hormonaux, la circulation sanguine, la pousse des cheveux, le rythme de veille/sommeil, la température corporelle, etc. Et pour la première fois, des chercheurs ont montré qu’un rythme circadien existait également chez les bactéries non photosynthétiques. Ce résultat est d’une grande importance, car l’existence d’un tel cycle chez ces bactéries pourrait impacter leur mécanisme d’infection et la manière dont nous luttons contre celles-ci.

Cette découverte répond à une question biologique de longue date et pourrait avoir des implications sur le moment de l’administration des médicaments, la biotechnologie, et la façon dont nous développons des solutions efficaces pour la protection des cultures agricoles. Les horloges biologiques, ou rythmes circadiens, sont des mécanismes de synchronisation internes répandus dans la nature, permettant aux organismes vivants de faire face aux changements majeurs qui se produisent jour et nuit, même à travers les saisons.

Existant à l’intérieur des cellules, ces rythmes moléculaires utilisent des signaux externes tels que la lumière du jour et la température pour synchroniser les horloges biologiques à leur environnement. C’est pourquoi nous ressentons les effets discordants du décalage horaire, car nos horloges internes sont temporairement désynchronisées avant de s’aligner sur le nouveau cycle de lumière et d’obscurité de notre destination.

Un nombre croissant de recherches au cours des deux dernières décennies a démontré l’importance de ces métronomes moléculaires pour des processus essentiels, par exemple le sommeil et le fonctionnement cognitif chez l’Homme, et la régulation de l’eau et la photosynthèse chez les plantes. Bien que les bactéries représentent 12% de la biomasse de la planète et soient importantes pour la santé, l’écologie et la biotechnologie industrielle, on en sait peu sur leurs horloges biologiques.

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L’existence d’un véritable rythme circadien chez la bactérie Bacillus subtilis

Des études antérieures ont montré que les bactéries photosynthétiques qui ont besoin de lumière pour produire de l’énergie ont des horloges biologiques. Mais les bactéries non photosynthétiques libres sont restées un mystère à cet égard. Dans cette étude internationale, les chercheurs ont détecté des rythmes circadiens libres dans la bactérie du sol non photosynthétique Bacillus subtilis.

L’équipe a appliqué une technique appelée « rapport sur la luciférase », qui consiste à ajouter une enzyme de bioluminescence qui permet aux chercheurs de visualiser le degré d’activité d’un gène à l’intérieur d’un organisme. Ils se sont concentrés sur deux gènes : d’une part, un gène appelé ytvA qui code le photorécepteur de la lumière bleue, et d’autre part une enzyme appelée KinC, qui est impliquée dans l’induction de la formation de biofilms et de spores dans la bactérie.

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Graphiques montrant la variation de bioluminescence des gènes ytvA et kinC selon des cycles d’obscurité/lumière de 12h. © Zheng Eelderink-Chen et al. 2021

Ils ont observé les niveaux des gènes dans l’obscurité constante par rapport à des cycles de 12 heures de lumière et 12 heures d’obscurité. Ils ont constaté que le modèle des niveaux de ytvA était ajusté au cycle de la lumière et de l’obscurité, les niveaux augmentant pendant l’obscurité et diminuant dans la lumière.

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A) Variation de bioluminescence de ytvA au travers de 5 jours de cycles de 12h à 25.5 °C et 28.5 °C. C) et D) Variations de la bioluminescence en présence de glycérol et glucose ; aucun rythme observé. © Zheng Eelderink-Chen et al. 2021

Les chercheurs ont observé qu’il fallait plusieurs jours pour qu’un modèle stable apparaisse et que le modèle pouvait être inversé si les conditions s’inversaient. Ces deux observations sont des caractéristiques communes des rythmes circadiens et de leur capacité à « entraîner » des signaux environnementaux. Ils ont ensuite mené des expériences similaires en utilisant les changements de température quotidiens. Par exemple, augmenter la longueur ou la force du cycle quotidien. Et ils ont trouvé les rythmes de ytvA et kinC ajustés d’une manière cohérente avec les rythmes circadiens, et pas simplement une position ON/OFF en réponse à la température.

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Le rôle joué par le cycle circadien chez les bactéries non photosynthétiques

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« Nous avons découvert pour la première fois que les bactéries non photosynthétiques peuvent ‘donner l’heure’. Elles adaptent leur fonctionnement moléculaire à l’heure de la journée en lisant les cycles lumineux ou la température environnementale. En plus des questions médicales et écologiques, nous souhaitons utiliser les bactéries comme système modèle pour comprendre les mécanismes de l’horloge circadienne. Les outils de laboratoire pour cette bactérie sont exceptionnels et devraient nous permettre de progresser rapidement », déclare Martha Merrow, biologiste à l’Université Ludwig Maximilians de Munich.

Les implications de cette recherche pourraient être utilisées pour répondre à des questions telles que : l’heure de l’exposition bactérienne est-elle importante pour une infection ? Les procédés biotechnologiques industriels peuvent-ils être optimisés en tenant compte de l’heure de la journée ? Et l’heure du traitement antibactérien est-elle importante ?

« Notre étude ouvre des portes pour étudier les rythmes circadiens à travers les bactéries. Maintenant que nous avons établi que les bactéries non photosynthétiques peuvent être ‘conscientes’ du temps, nous devons découvrir les processus bactériens qui provoquent ces rythmes, et comprendre pourquoi le fait d’avoir un rythme circadien offre un avantage aux bactéries », explique Antony Dodd du John Centre Innes.

Sources : Science Advances

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