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Laboratoire Pierre Aigrain - UMR 8551
Département de physique
L'ENS Le CNRS
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Evolution accélérée in-vivo Evolution accélérée in-vivo Nous mettons en place une expérience d’évolution in-vivo. A partir d’un ancêtre unique conduisant à une grande population de bactéries dans un réacteur, on favorise fortement l’échange horizontal d’ADN entre ces bactéries. On s’attend à ce que cet échange accélère l’évolution Darwinienne cette bactérie.
Introduction : évolution et recombinaison
Chez la bactérie, le taux d’erreur typique (mutation d’une base de l’ADN génomique lors de la division cellulaire) est de 0.01 base modifiée par génome répliqué : sur 100 réplications de génome, l’un de ces génomes contient une base modifiée. Ces mutations participent à l’évolution de l’organisme.
Une modification de l’ADN peut entrainer un changement dans une protéine. Chacun des 20 acides aminés (unité élémentaire constituante d’une protéine) existant dans la nature est codé par 3 bases d’ADN. Pour une protéine d’une taille typique de 200 acides aminés, le nombre de séquences possibles est alors 10 , cad. 10. C’est un nombre monstrueux, plus grand que le nombre total estimé d’atomes dans l’univers : 10
Pour évoluer, et donc explorer cet espace des séquences protéiques possibles, le vivant a développé des stratégies combinant (i) des variations locales (mutations ponctuelles), avec (ii) des "sauts", de grande amplitude.
Une classe importante de sauts consiste en l’emprunt à d’autres organismes, d’une portion de séquence déjà optimisée (cad. utile à l’organisme étranger) : capture de l’ADN, et incorporation dans son propre génome grâce au processus de recombinaison. Ces échanges sont très rares chez les microorganismes, mais importants. Ainsi, on estime à 18% la part du génome de la bactérie Escherichia coli provenant d’organismes étrangers, depuis 100 millions d‘années.
Chez les Eukaryotes, la recombinaison entre chromosomes de même paire lors de la méiose (production des cellules sexuelles) permet à ces organismes sexués de fournir un large éventail de combinaisons génétiques pour leurs progénitures. Dans ce contexte, la sexualité est une forme de brassage génétique, qui a la particularité d’intervenir à chaque génération.
Depuis longtemps, les biologistes de l’Evolution s’interrogent sur les avantages évolutifs constitutifs de la formation d’êtres sexués (Otto 2002). Etant donné la quantité d’organismes sexués existant sur Terre, l’échange génétique lié à la reproduction sexuée est supposé compenser les inconvénients (nécessité de deux parents par descendant) introduits par la sexualité.
Le projet : brassage de génomes en culture continue
Nous avons mis en place un système artificiel d’évolution accélérée de bactéries, où on s’arrange pour que le brassage de fragments de génome soit très fortement exalté. Notre choix s’est porté sur la bactérie Acinetobacter baylyi ADP1 (Young 2005) non pathogène, et naturellement compétente, (cad. capable d’intégrer dans son génome des séquences entières d’ADN si ces dernières sont présentes le milieu de culture). Par une technique de culture en continu (Monod 1950), le bioréacteur avec les bactéries est alimenté à débit constant en milieu nutritif frais, et le trop plein est éliminé. On réalise alors une boucle de rétroaction, en récupérant/purifiant l’ADN des bactéries du trop-plein, pour le réinjecter dans le réacteur. Le brassage entre génome d’individus voisins (réalisant chacun des mutations ponctuelles différentes) devient possible à fréquence élevée. Ainsi, dans la population soumise à une pression de sélection donnée, on permet la combinaison de plusieurs mutations bénéfiques qui sont apparues dans deux bactéries distinctes.
Ce montage va permettre de tester des modèles d’évolution faisant intervenir divers paramètres tels que : la taille de la population, le taux de mutation ou encore le taux de recombinaison. Cette expérience devrait permettre de mieux comprendre les mécanismes d’adaptation liés à la recombinaison génétique.
Pourquoi utiliser des micro-organismes ?
Les avantages de l’utilisation de micro-organismes sont nombreux (Lenski, 1994) : ils sont de petite taille, il est donc possible de rassembler une large population dans un espace restreint (30 milliards de bactéries dans 150 ml dans notre expérience) ; le temps de division cellulaire est extrêmement rapide (moins d’une heure pour les bactéries que nous utilisons), ce qui permet d’observer un grand nombre de générations en peu de temps ; il est facile de mener des expériences en parallèle, dans des milieux différents en dupliquant les montages ; les organismes évolués ainsi que l’ancêtre unique sont conservés au congélateur, ce qui permet d’effectuer des expériences de compétition pour évaluer l’adaptation au cours du temps. Ce type d’expérience est donc prometteur pour étudier l’évolution de micro-organisme.
Les bactéries sont très utilisées dans l’industrie chimique, médicale, environnementale, ou encore agro-alimentaire. On utilise des souches spécialisées dans une tâche particulière (métabolisation d’un élément particulier, fermentation, production d’antibiotique…). Un des enjeux est d’être capable de fournir des micro-organismes hyper-spécialistes à moindre frais. Les techniques utilisées aujourd’hui essaient de mettre en place des évolutions par brassage de génome (Patnaik 2002), mais utilisent pour cela qu’un nombre très limité de génomes pour les combiner.
Au niveau moléculaire, l’évolution accélérée des protéines a déjà de nombreuses applications (Farinas 2001). L’évolution accélérée des micro-organismes représente donc un champ de recherche important, suceptible d’application industrielle.
La technique que nous utilisons devrait permettre de produire par exemple des bactéries « spécialistes » dans un milieu donné, incapables de proliférer dans un autre milieu ; ces bactéries sont non pathogènes, et la technique utilisée permet de ne pas considérer les souches obtenues comme des OGM, puisque aucune séquence d’ADN étrangère n’est utilisée.
Farinas E.T, Bulter T., Arnold F.H., Directed enzyme evolution, Curr. Opin. in Biotech. 12 545 (2001)
Lenski R.E., Travisano M., Dynamics of adaptation and diversification : A 10,000-generation experiment with bacterial populations, PNAS 91 6808 (1994)
Monod J., La technique de culture continue. Théorie et applications, Ann. Inst. Pasteur, 79 390-410 (1950)
Otto S.P., Lenormand T., Resolving the paradox of sex and recombination, Nature Reviews Genetics 3 252 (2002)
Patnaik R. et al., Genome shuffling of Lactobacillus for improved acid tolerance, Nature Biotechnology, 20 707 (2002)
Young D.M. et al., Opportunities for genetic investigation afforded by Acinetobacter baylyi, a nutritionally versatile bacterial species that is highly competent for natural transformation, Annu. Rev. Microbiol., 59 519 (2005)