Exploiter l'océan comme source de produits naturels

Les océans regorgent d'innombrables formes de vie, de la plus grande créature du monde - la baleine bleue - à de minuscules micro-organismes. Outre leur grand nombre, ces micro-organismes sont également essentiels au bon fonctionnement de l'ensemble du système écologique et climatique. Par exemple, il existe des variétés photosynthétiques actives, comme les cyanobactéries, qui produisent environ 50% de l'oxygène présent dans l'atmosphère. En outre, en éliminant le dioxyde de carbone de l'atmosphère, les micro-organismes contribuent à lutter contre le réchauffement de la planète.

Malgré ce rôle important, la recherche sur la diversité des micro-organismes présents dans l'océan n'a été jusqu'à présent que rudimentaire. C'est pourquoi un groupe de recherche dirigé par Shinichi Sunagawa et Jörn Piel, tous deux professeurs à l’Institut de microbiologie de l’ETH Zurich, ainsi que Serina Robinson, cheffe de groupe du département microbiologie de l’environnement à l’Eawag, se sont mis en quête de ces micro-organismes.

Pour détecter les nouveaux produits naturels fabriqués par les bactéries, Shinichi Sunagawa et son équipe ont examiné les données ADN accessibles au public provenant de 1000 échantillons d'eau prélevés à différentes profondeurs dans toutes les régions océaniques du monde. Ces données provenaient de sources telles que des expéditions océaniques et des plateformes d'observation placées en mer.

Grâce aux technologies modernes telles que l'analyse de l'ADN environnemental (ADNe), il est devenu plus facile de rechercher de nouvelles espèces et de découvrir quels organismes connus peuvent être trouvés où. Mais ce que l'on ne sait pratiquement pas, ce sont les effets spéciaux des micro-organismes marins, c'est-à-dire les composés chimiques qu'ils fabriquent et qui sont importants pour les interactions entre organismes. Dans le meilleur des cas, ces composés seraient également bénéfiques pour l'être humain. La recherche repose sur l'hypothèse que le microbiome océanique recèle un grand potentiel de produits naturels qui pourraient s'avérer bénéfiques, par exemple pour leurs propriétés antibiotiques.

L'ADN électronique extrait présent dans les échantillons a été séquencé par les chercheurs originaux et les chercheuses originales des différentes expéditions. En reconstruisant des génomes entiers sur ordinateur, les scientifiques ont réussi à décrypter les informations codées - les plans des protéines. Enfin, ils et elles ont regroupé ces nouvelles données avec les 8500 ensembles de données sur les génomes des micro-organismes marins dans une seule base de données.

Elles et ils ont ainsi obtenu 35'000 génomes sur lesquels s'appuyer pour rechercher de nouvelles espèces microbiennes et, en particulier, des groupes de gènes biosynthétiques (GGB) prometteurs. Un GGB est un groupe de gènes qui fournit la voie de synthèse d'un produit naturel.

Découverte de nouvelles espèces et de nouvelles molécules

Dans ces données génomiques, les chercheuses et chercheurs ont détecté non seulement de nombreux GGB potentiellement utiles - quelque 40'000 au total - mais aussi des espèces de bactéries jusqu'alors inconnues appartenant au phylum Eremiobacterota. Ce groupe de bactéries était connu pour n'exister que dans les environnements terrestres et ne présentait pas de diversité biosynthétique particulière.

Shinichi Sunagawa et son équipe ont nommé une nouvelle famille de ces bactéries, les Eudoremicrobiaceae, et ont également pu démontrer que ces bactéries sont communes et répandues: une espèce appartenant à cette famille, Eudoremicrobium malaspinii, représente jusqu'à 6% de toutes les bactéries présentes dans certaines zones de l'océan.

«Les espèces apparentées présentes dans l'océan possèdent ce qui, pour des bactéries, est un génome géant. Le décrypter entièrement était un défi technique car ces organismes n'avaient jamais été cultivés auparavant», explique Shinichi Sunagawa. De plus, les nouvelles bactéries se sont avérées appartenir au groupe de micro-organismes qui présente la plus grande diversité de GGB de tous les échantillons examinés. «En l'état actuel des choses, il s'agit de la famille la plus diversifiée sur le plan biosynthétique dans la colonne d'eau océanique», ajoute-t-il.

L'équipe de recherche a examiné en détail deux GGB d'Eudoremicrobiaceae. L'un d'eux était un groupe de gènes contenant le code génétique d'enzymes qui, selon Shinichi Sunagawa, n'avaient jamais été trouvés dans cette constellation dans un GGB bactérien auparavant. L'autre exemple examiné était un produit naturel bioactif qui inhibe une enzyme protéolytique.

La validation des expériences a donné lieu à une surprise

En collaboration avec le groupe dirigé par Jörn Piel, les chercheuses et chercheurs ont utilisé des expériences pour valider la structure et la fonction des deux produits naturels. E. malaspinii ne pouvant être cultivée, l'équipe de Jörn Piel a dû greffer des gènes dans une bactérie modèle afin qu'ils servent de modèle pour les produits naturels. Cette bactérie a ensuite produit les substances correspondantes. Enfin, les chercheuses et chercheurs ont isolé les molécules des cellules, déterminé leur structure et validé leur activité biologique.

Cette étape était nécessaire car, dans un cas, l'activité enzymatique prédite par les programmes informatiques ne correspondait pas aux résultats des expériences. «Les prédictions informatiques concernant les réactions chimiques qu'une enzyme va déclencher ont leurs limites», explique Shinichi Sunagawa. «C'est pourquoi ces prédictions doivent être validées en laboratoire s'il y a le moindre doute.»

C'est une entreprise coûteuse et longue qui n'est tout simplement pas viable pour une base de données de 40'000 produits naturels potentiels. «Cependant, notre base de données a beaucoup à offrir, et elle est accessible à chaque chercheur et chercheuse qui souhaite l'utiliser», précise Shinichi Sunagawa.

Au-delà de la collaboration continue avec le groupe de Jörn Piel pour découvrir de nouveaux produits naturels, Shinichi Sunagawa souhaite étudier les questions non résolues concernant l'évolution et l'écologie des micro-organismes océaniques. Il s'agit notamment de savoir comment les micro-organismes sont dispersés dans l'océan, étant donné qu'ils ne peuvent se propager sur de grandes distances que de manière passive. Il souhaite également découvrir quels avantages écologiques ou évolutifs certains gènes procurent aux microbes. Shinichi Sunagawa soupçonne les GGB de jouer un rôle majeur.