Les extrêmophiles sont des organismes ayant la capacité de se développer et de se multiplier aux limites extrêmes de la vie, dans des conditions mortelles pour la plupart des autres organismes. Températures très élevées ou très basses, milieux très acides ou au contraire très basiques, environnements radioactifs ou saturés en sel, ces organismes se sont adaptés de façon exceptionnelle pour résister aux conditions environnementales les plus extrêmes. Ils constituent ainsi un important objet d’étude dans des domaines aussi divers que la biotechnologie, l’origine de la vie sur Terre ou l’exobiologie.
Les extrêmophiles sont des bactéries ou des archées (organismes unicellulaires morphologiquement similaires aux bactéries). Il est possible d’élargir la définition aux formes eucaryotes pluricellulaires comme les animaux (insectes, poissons…). Toutefois, le terme « extrêmophile » reste le plus souvent réservé aux organismes unicellulaires.
Il existe une distinction entre les organismes extrêmophiles et les organismes extrémotolérants. En effet, les extrêmophiles ont besoin de conditions extrêmes pour proliférer, tandis que les seconds se contentent de les supporter, mais vivent en général dans des conditions ordinaires. Il est ainsi rare de trouver des extrêmophiles dans des milieux environnementaux ordinaires. Bien qu’ils puissent y survivre, ceux-ci supportent très mal la compétition avec les autres organismes.
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Les extrêmophiles et la question des origines de la vie sur Terre
L’études de ces organismes hors norme éveil l’intérêt d’un grand nombre de scientifiques, notamment dans le domaine de la biologie prébiotique. En effet, les extrêmophiles représentent un sujet d’étude important concernant les origines de la vie et les conditions dans lesquelles celle-ci aurait pu émerger sur Terre.
Actuellement, les modèles suggèrent que la vie a émergé au sein d’une « soupe » prébiotique, acide, hyaline, assaillie de rayons ionisants ne pouvant être bloqués par l’atmosphère terrestre tout juste naissante.
Ces conditions primordiales sont très proches de celles retrouvées près des cheminées hydrothermales situées au fond des océans, où vivent encore aujourd’hui de nombreux micro-organismes hyperthermophiles (bactéries dont le développement est optimal à une température supérieure à 80°C). Les organismes extrêmophiles y ont depuis toujours trouvé la chaleur et les ressources nécessaires à leur métabolisme particulier, basé sur la synthèse d’éléments chimiques à partir de substances nocives pour les autres organismes. De telles bactéries sont appelées « bactéries chimiosynthétiques ».
Cette faculté spectaculaire à résister aux environnements les plus extrêmes permet aux extrêmophiles d’exister dans tous les recoins de la Terre. Mais au-delà de la vie terrestre, ces organisme ouvrent une importante fenêtre sur l’exobiologie et la recherche de vie extraterrestre. Nombre de planètes ou de satellites, dans le système solaire et ailleurs, constituent des milieux hostiles dans lesquels ces organismes pourraient se développer.
Les extrêmophiles : une résistance hors-norme aux conditions les plus extrêmes
Les extrêmophiles sont donc capables de s’adapter à toutes les conditions extrêmes : acidité, basicité, vide, dessiccation, famine, gel, chaleur, salinité, radioactivité, UV, déshydratation, pression, etc. Pour ce faire, ils possèdent des mécanismes de réparation cellulaire hors du commun. En effet, les rayonnements ionisants ou les longues périodes de dessiccation entraînent de nombreuses cassures génomiques conduisant à de sérieuses lésions des chromosomes. Généralement, les extrêmophiles sont donc capables de réparer rapidement ces lésions avant qu’elles ne deviennent irréversibles.
Voici quelques exemples d’organismes extrêmophiles :
- Thermococcus Gammatoleans, une archée radiotolérante capable de réparer en permanence son génome lorsqu’elle est soumise à des rayons ionisants. Retrouvée principalement à de très grandes profondeurs dans les sources chaudes.
- Ferroplasma acidarmanus, une archée acidophile capable de croître dans un environnement dont le pH est proche de 0, soit un environnement extrêmement acide.
- Haloarcula marismortui, une archée halophile capable de se développer dans une eau à 300 g/l de NaCl (10 fois la salinité océanique moyenne). Retrouvée principalement dans la Mer Morte.
- Pyrolobus fumarii, une archée hyperthermophile capable de continuer à se développer à une température de 113 °C. Retrouvée principalement dans les cheminées hydrothermales.
- Deinococcus radiotolerans, une bactérie polyextrêmophile capable de résister aux rayonnements ionisants, aux UV, à la dessiccation, à la déshydratation, au gel, à l’acide et au vide. Cette polyrésistance lui vaut le nom de « Conan la bactérie ».
- Les poissons de la famille des Nototheniidae sont des
animaux vivant dans l’océan glacial antarctique et qui sécrètent
des protéines « antigel » dans leur sang afin de se prémunir contre
le grand froid.
Il existe de très nombreux extrêmophiles résistant à une condition particulière ou à plusieurs conditions simultanées. De gauche à droite : Deinococcus radiodurans (1), Pyrolobus fumarii (2) et Thermococcus gammatolerans (3). Crédits : Angels Tapias/Michael Daly/NOAA
Biotechnologie, chimie, médecine : les nombreuses applications des extrêmophiles
Les extrêmophiles ont de nombreuses applications, en particulier dans le domaine des biotechnologies et de l’industrie chimique. En s’intéressant aux micro-organismes présents dans les sources bouillonnantes du parc de Yellowstone, Thomas D. Brock a découvert dans les années 1970 « une vie microbienne extrêmement riche ».
Au sein de celle-ci, il découvrit la bactérie dont les propriétés sont utilisées dans les laboratoires du monde entier. En effet, elle est utilisée pour réaliser la technique de PCR (Polymerase Chain Reaction) consistant à dupliquer un morceau d’ADN un très grand nombre de fois dans le but d’obtenir un échantillon de taille suffisamment importante pour être analysé.
Ces organismes ont aussi leurs applications dans le domaine médical. En effet, leur capacité à réparer les erreurs protéiques rend leur étude pertinente en vue de développer de nouveaux traitements contre certaines maladies neurodégénératives par exemple.
Chez les humains, il existe un système assimilable à un contrôle qualité qui valide le bon fonctionnement d’une protéine et se charge de la détruire si celle-ci est défectueuse. Mais si des protéines malformées parviennent tout de même à se développer, elles risquent de constituer des amas pathologiques (prions).
Ce système de contrôle protéique est particulièrement optimisé chez les extrêmophiles. En outre, la plupart des extrêmophiles possèdent également un système de réparation des lésions de l’ADN extrêmement efficace, rendant le développement de cancer virtuellement impossible. L’étude de ces facultés dans le but de les répliquer pourrait ouvrir de nouvelles voies thérapeutiques dans la lutte contre le cancer et les maladies génétiques.