La majeure partie de la vie sur Terre est en sommeil, après avoir activé un " frein d’urgence"

De nombreux microbes et cellules dorment profondément, attendant le bon moment pour s’activer. Les biologistes ont découvert une protéine largement répandue qui arrête brusquement l'activité d'une cellule et la réactive tout aussi rapidement.

(Photo : Lorsque les choses se compliquent, de nombreux microbes entrent en dormance. De nouvelles recherches ont découvert une protéine omniprésente qui arrête instantanément la production de protéines dans une cellule.)

Des chercheurs ont récemment rapporté la découverte d'une protéine naturelle, appelée Balon, qui peut stopper brutalement la production de nouvelles protéines par une cellule. Balon a été trouvé dans des bactéries qui hibernent dans le pergélisol arctique, mais il semble également être fabriqué par de nombreux autres organismes et pourrait être un mécanisme négligé de dormance dans l'arbre de vie.

Pour la plupart des formes de vie, la capacité de s’isoler est un élément essentiel pour rester en vie. Des conditions difficiles comme le manque de nourriture ou le froid peuvent apparaître de nulle part. Dans cette situation désastreuse, plutôt que de s’effondrer et de mourir, de nombreux organismes sont passés maîtres dans l’art de la dormance. Ils ralentissent leur activité et leur métabolisme. Puis, lorsque des temps meilleurs reviennent, ils se réaniment.

Rester assis dans un état de dormance est en fait la norme pour la majorité de la vie sur Terre : selon certaines estimations, 60 % de toutes les cellules microbiennes hibernent à un moment donné. Même dans les organismes dont le corps entier ne se met pas en dormance, comme la plupart des mammifères, certaines populations cellulaires se reposent et attendent le meilleur moment pour s'activer.

"Nous vivons sur une planète endormie", a déclaré Sergey Melnikov , biologiste moléculaire évolutionniste à l'Université de Newcastle. "La vie, c'est avant tout dormir."

Mais comment les cellules réussissent-elles cet exploit ? Au fil des années, les chercheurs ont découvert un certain nombre de " facteurs d’hibernation ", des protéines que les cellules utilisent pour induire et maintenir un état de dormance. Lorsqu’une cellule détecte une condition défavorable, comme la famine ou le froid, elle produit une série de facteurs d’hibernation pour arrêter son métabolisme.

Certains facteurs d’hibernation démantelent la machinerie cellulaire ; d'autres empêchent l'expression des gènes. Les plus importants, cependant, arrêtent le ribosome, la machine cellulaire chargée de fabriquer de nouvelles protéines. La fabrication de protéines représente plus de 50 % de la consommation d’énergie d’une cellule bactérienne en croissance. Ces facteurs d'hibernation jettent du sable dans les engrenages du ribosome, l'empêchant de synthétiser de nouvelles protéines et économisant ainsi de l'énergie pour les besoins de survie de base.

Plus tôt cette année, en publiant dans Nature, des chercheurs ont rapporté la découverte d' un nouveau facteur d'hibernation, qu'ils ont nommé Balon. Une protéine qui est étonnamment courante : une recherche de sa séquence génétique a révélé sa présence dans 20 % de tous les génomes bactériens catalogués. Et cela fonctionne d’une manière que les biologistes moléculaires n’avaient jamais vue auparavant.

(Photo : Karla Helena-Bueno a découvert un facteur d'hibernation courant lorsqu'elle a accidentellement laissé une bactérie arctique sur la glace pendant trop longtemps. " J'ai essayé d'explorer un coin de nature sous-étudié et j'ai trouvé quelque chose ", a-t-elle déclaré.)

Auparavant, tous les facteurs connus d'hibernation perturbant le ribosome fonctionnaient passivement : ils attendaient qu'un ribosome ait fini de construire une protéine, puis l'empêchaient d'en créer une nouvelle. Balon, cependant, tire sur le frein d'urgence. Il s'introduit dans chaque ribosome de la cellule, interrompant même les ribosomes actifs au milieu de leur travail. Avant Balon, les facteurs d'hibernation n'étaient observés que dans les ribosomes vides.

"Ce papier au sujet de Balon est incroyablement détaillé", a déclaré le biologiste évolutionniste Jay Lennon, qui étudie la dormance microbienne à l'Université d'Indiana et n'a pas participé à la nouvelle étude. "Cela enrichira notre vision du fonctionnement de la dormance."

Melnikov et son étudiante diplômée Karla Helena-Bueno ont découvert Balon chez Psychrobacter urativorans, une bactérie adaptée au froid, originaire des sols gelés et récoltée dans le pergélisol arctique. (Selon Melnikov, la bactérie a été découverte pour la première fois dans un paquet de saucisses congelées dans les années 1970, puis redécouverte par le célèbre génomiciste Craig Venter lors d'un voyage dans l'Arctique.) Ils étudient P. urativorans et d'autres microbes inhabituels pour caractériser la diversité des outils de construction de protéines utilisés dans tout le spectre de la vie et pour comprendre comment les ribosomes peuvent s'adapter aux environnements extrêmes.

Parce que la dormance peut être déclenchée par diverses conditions, notamment la famine et la sécheresse, les scientifiques poursuivent ces recherches avec un objectif pratique en tête : " Nous pouvons probablement utiliser ces connaissances pour concevoir des organismes capables de tolérer des climats plus chauds ", a déclaré Melnikov, " et donc résister au changement climatique. "

Présentation : Balon

Helena-Bueno a découvert Balon entièrement par hasard. Elle s'employait à amadouer qour que les P.Urativorans grandissent joyeusement en laboratoire. Au lieu de cela, elle a fait le contraire. Elle a laissé la culture dans un seau à glace pendant trop longtemps et a réussi à la soumettre à un choc froid. Au moment où elle se rappela de sa présence, les bactéries adaptées au froid étaient devenues dormantes.

Ne voulant pas gaspiller la culture, les chercheurs ont quand même poursuivi leurs investigations initiales. Helena-Bueno a extrait les ribosomes des bactéries choquées par le froid et les a soumis à la cryo-EM. Abréviation de microscopie électronique cryogénique, la cryo-EM est une technique permettant de visualiser de minuscules structures biologiques à haute résolution. Helena-Bueno a vu une protéine coincée dans le site A du ribosome bloqué – la " porte " où les acides aminés sont livrés pour la construction de nouvelles protéines.

Helena-Bueno et Melnikov n'ont pas reconnu la protéine. En effet, cela n’avait jamais été décrit auparavant. Elle présentait une similitude avec une autre protéine bactérienne, importante pour le démontage et le recyclage des parties ribosomales, appelée Pelota de l'espagnol pour " balle ". Ils ont donc nommé la nouvelle protéine Balon, un mot espagnol pour " balle ".

"Contrairement à d’autres facteurs d’hibernation, Balon peut être inséré pour bloquer la croissance, puis rapidement éjecté comme une cassette."

La capacité de Balon à arrêter l'activité du ribosome est une adaptation essentielle pour un microbe soumis à un stress, a déclaré Mee-Ngan Frances Yap, microbiologiste à l'Université Northwestern qui n'a pas participé aux travaux. "Lorsque les bactéries se développent activement, elles produisent beaucoup de ribosomes et d'ARN", a-t-elle déclaré. " Lorsqu’elle est confrontée à un stress, une espèce peut avoir besoin d’arrêter la traduction " de l’ARN en nouvelles protéines pour commencer à économiser de l’énergie pendant une période d’hibernation potentiellement longue.

Notamment, le mécanisme de Balon est un processus réversible. Contrairement à d’autres facteurs d’hibernation, il peut être inséré pour bloquer la croissance, puis rapidement éjecté comme une cassette. Il permet à une cellule de se mettre rapidement en veille en cas d’urgence et de se réanimer tout aussi rapidement pour se réadapter à des conditions plus favorables.

Balon peut le faire car il s'accroche aux ribosomes d'une manière unique. Chaque facteur d'hibernation ribosomale découvert précédemment bloque physiquement le site A du ribosome, de sorte que tout processus de fabrication de protéines en cours doit être terminé avant que le facteur puisse s'attacher pour désactiver le ribosome. Balon, en revanche, se lie à proximité mais pas à travers le canal, ce qui lui permet d'aller et venir indépendamment de ce que fait le ribosome.

Malgré la nouveauté mécaniste de Balon, il s’agit d’une protéine extrêmement courante. Une fois identifié, Helena-Bueno et Melnikov ont trouvé des parents génétiques de Balon dans plus de 20 % de tous les génomes bactériens catalogués dans les bases de données publiques. Avec l'aide de Mariia Rybak , biologiste moléculaire à la branche médicale de l'Université du Texas, ils ont caractérisé deux de ces protéines bactériennes alternatives : une provenant du pathogène humain Mycobacterium tuberculosis, responsable de la tuberculose, et un autre chez Thermus thermophilus, qui vit dans le dernier endroit où on pourrait trouver P. urativorans, c'est-à-dire dans des bouches d'aération sous-marines ultra-chaudes. Les deux protéines se lient également au site A du ribosome, ce qui suggère qu'au moins certains de ces gènes apparentés agissent de la même manière que Balon chez d'autres espèces bactériennes.

Balon est notamment absent d' Escherichia coli et de Staphylococcus aureus, les deux bactéries les plus étudiées et les modèles de dormance cellulaire les plus largement utilisés. En se concentrant uniquement sur quelques organismes de laboratoire, les scientifiques ont raté une tactique d'hibernation largement répandue, a déclaré Helena-Bueno. "J'ai essayé d'explorer un coin de nature sous-étudié et j'ai trouvé quelque chose."

Tout le monde hiberne

Chaque cellule a besoin de pouvoir se mettre en veille et d’attendre son moment. La bactérie modèle de laboratoire E. coli possède cinq modes d'hibernation distincts, a déclaré Melnikov, chacun étant suffisant à lui seul pour permettre au microbe de survivre à une crise." La plupart des microbes sont affamés ", explique Ashley Shade, microbiologiste à l'université de Lyon, qui n'a pas participé à la nouvelle étude. " Ils vivent en constant état de manque. Ils ne se dédoublent pas et ne vivent pas leur meilleure vie ".

Mais la dormance est également nécessaire en dehors des périodes de famine. Même chez les organismes, comme la plupart des mammifères, dont le corps entier n’est pas complètement endormi, les populations cellulaires individuelles doivent attendre le meilleur moment pour s’activer. Les ovocytes humains dorment pendant des décennies en attendant d’être fécondés. Les cellules souches humaines naissent dans la moelle osseuse, puis restent au repos, attendant que le corps les appelle pour se développer et se différencier. Les fibroblastes du tissu nerveux, les lymphocytes du système immunitaire et les hépatocytes du foie entrent tous dans des phases dormantes, inactives et sans division et se réactivent plus tard.

"Ce n'est pas quelque chose qui est propre aux bactéries ou aux archées", a déclaré Lennon. " Chaque organisme de l’arbre de vie a une manière de mettre en œuvre cette stratégie. Ils peuvent suspendre leur métabolisme.

Les ours hibernent. Les virus de l'herpès se lysogénisent. Les vers forment un stade Dauer. Les insectes entrent en diapause. Les amphibiens estivent. Les oiseaux entrent en torpeur. Tous ces mots désignent exactement la même chose : un état de dormance que les organismes peuvent inverser lorsque les conditions sont favorables.

"Avant l'invention de l'hibernation, la seule façon de vivre était de continuer à grandir sans interruption", a déclaré Melnikov. "Mettre la vie sur pause est un luxe."

C'est aussi une sorte d'assurance à l'échelle de la population. Certaines cellules poursuivent leur dormance en détectant les changements environnementaux et en réagissant en conséquence. Cependant, de nombreuses bactéries utilisent une stratégie stochastique. "Dans des environnements fluctuant de manière aléatoire, si vous ne vous mettez pas parfois en dormance, il y a un risque que la population entière disparaisse" à la suite de rencontres aléatoires avec des catastrophes, a déclaré Lennon. Même dans les cultures d' E. coli les plus saines, les plus heureuses et à la croissance la plus rapide, entre 5 % et 10 % des cellules seront néanmoins dormantes. Ce sont les survivants désignés qui survivront si quelque chose arrivait à leurs cousins ​​plus actifs et plus vulnérables.

En ce sens, la dormance est une stratégie de survie face aux catastrophes mondiales. C'est pourquoi Helena-Bueno étudie l'hibernation. Elle s'intéresse aux espèces qui pourraient rester stables malgré le changement climatique, à celles qui pourraient se rétablir et aux processus cellulaires, comme l'hibernation assistée par Balon, qui pourraient aider.

Plus fondamentalement, Melnikov et Helena-Bueno espèrent que la découverte de Balon et son omniprésence aideront les gens à recadrer ce qui est important dans la vie. Nous dormons tous fréquemment et beaucoup d’entre nous l’apprécient beaucoup. "Nous passons un tiers de notre vie à dormir, mais nous n'en parlons pas du tout", a déclaré Melnikov. Au lieu de nous plaindre de ce qui nous manque lorsque nous dormons, peut-être pourrions-nous le vivre comme un processus qui nous relie à toute vie sur Terre, y compris les microbes qui dorment au plus profond du pergélisol arctique.