Les scientifiques ont développé une méthode révolutionnaire pour relier la génétique à l'activité des microbes anaérobies, révélant ainsi des informations clés sur les communautés microbiennes situées en profondeur sous la surface de la Terre. Cette approche, mettant en évidence une bactérie dominante dans l'aquifère de la Vallée de la Mort, ouvre de nouvelles voies pour comprendre les rôles microbiens dans les processus globaux.
Une équipe de scientifiques dirigée par des chercheurs du Laboratoire Bigelow pour les sciences océaniques a développé une méthode innovante pour relier la génétique et la fonction de microbes individuels vivant sans oxygène dans les profondeurs de la surface de la Terre.
Mesurer ces deux attributs – et, plus important encore, les relier entre eux – constitue depuis longtemps un défi en microbiologie, mais est essentiel pour comprendre le rôle des communautés microbiennes dans des processus mondiaux tels que le cycle du carbone.
La nouvelle approche, développée au centre de génomique unicellulaire du laboratoire Bigelow, a permis aux chercheurs de découvrir que l'on espèces La bactérie consommatrice de sulfate était non seulement l'organisme le plus abondant mais aussi le plus actif dans un aquifère souterrain situé sous la Vallée de la Mort, à près d'un demi-mile sous la surface. Les résultats, publiés dans le Actes de l'Académie nationale des sciencesmontrent comment cette méthode peut être un outil puissant pour mesurer le degré d'activité de différents organismes dans ces environnements extrêmes.
Aperçu de la dynamique de la communauté microbienne
« Auparavant, nous devions supposer que toutes les cellules fonctionnaient au même rythme, mais nous pouvons désormais constater qu'il existe un large éventail de niveaux d'activité entre les membres individuels des communautés microbiennes », a déclaré le chercheur scientifique et auteur principal de l'article Melody. Lindsay. « Cela nous aide à comprendre de quoi ces communautés microbiennes sont capables et comment cela pourrait influencer les cycles biogéochimiques mondiaux. »
L’équipe du Desert Research Institute extrayant des échantillons du forage de Death Valley. Crédit : Duane Moser, Institut de recherche sur le désert
L'étude récente fait partie d'un projet plus vaste reliant le code génétique des microbes – le schéma de ce dont ils sont capables – à ce qu'ils font réellement à un moment donné.
Avancées méthodologiques
Financé par le programme EPSCoR de la NSF, le projet « Genomes to Phenomes » est une coentreprise entre le Bigelow Laboratory, le Desert Research Institute et l'Université du New Hampshire. Il exploite les progrès récents dans le séquençage génétique unicellulaire avec une approche créative appliquant la cytométrie en flux pour estimer les taux de processus, tels que la respiration, qui se produisent dans ces cellules.
La cytométrie en flux, une méthode d'analyse des microbes environnementaux individuels adaptée au laboratoire Bigelow à partir des sciences biomédicales, a permis aux chercheurs de trier rapidement les microbes vivants dans les échantillons d'eau de l'aquifère. Ces microbes ont été colorés avec un composé spécialement conçu qui s’allume sous le laser de cytométrie en flux lorsque certaines réactions chimiques se produisent dans la cellule. La relation entre le degré de fluorescence des cellules sous le laser et la vitesse de ces réactions a été élaborée expérimentalement avec des cultures de cellules cultivées en laboratoire par des étudiants stagiaires du laboratoire Bigelow, puis appliquée aux échantillons de la Vallée de la Mort.
Une fois les cellules actives mesurées et isolées, l’équipe a séquencé leurs génomes individuels. Les chercheurs ont également utilisé la méta-transcriptomique, une méthode permettant de déterminer quels gènes sont activement exprimés, et les traceurs radio-isotopiques, une méthode plus traditionnelle pour mesurer l'activité au sein d'une communauté microbienne. Cela a été fait à la fois pour « revérifier » leurs résultats et pour obtenir encore plus d'informations sur les liens entre ce dont ces microbes sont génétiquement capables et ce qu'ils font réellement.
Le Single Cell Genomics Center est le seul centre d’analyse au monde proposant cette nouvelle technique aux chercheurs.
« Cette étude a été une opportunité passionnante pour notre équipe de recherche et le SCGC d'aider à améliorer notre compréhension des immenses et énigmatiques écosystèmes microbiens souterrains », a déclaré Ramunas Stepanauskas, chercheur principal au Laboratoire Bigelow, directeur du SCGC et chercheur principal du projet.
Cette nouvelle étude s'appuie sur la première démonstration de cette approche pour quantifier l'activité de cellules individuelles. Fin 2022, l’équipe a publié des résultats sur les microbes présents dans l’eau de mer, montrant qu’une petite fraction des micro-organismes est responsable de la consommation de la majeure partie de l’oxygène de l’océan. Avec ce nouvel article, l’équipe étend cette méthode pour montrer qu’elle peut être utilisée dans des environnements à faible biomasse avec des microbes qui ne dépendent pas de l’oxygène. Dans les échantillons prélevés dans l’aquifère souterrain de Californie, par exemple, les scientifiques ont estimé qu’il y avait des centaines de cellules par millilitre d’eau, contre des millions de cellules dans un millilitre typique d’eau de surface.
« Nous avons commencé avec des organismes respirant de l'oxygène dans l'océan parce qu'ils sont un peu plus actifs, un peu plus faciles à trier et à cultiver en laboratoire », a déclaré Lindsay. « Mais la respiration aérobie n'est qu'un processus possible en microbiologie, nous avons donc voulu aller au-delà. »
Élargir la portée de la recherche microbienne
Les résultats ont confirmé que la bactérie Candidat Desulforudis audaxviator était non seulement le microbe le plus abondant dans cet environnement, mais aussi le sulfate réducteur le plus actif pour l'énergie. Les taux d’activité globaux mesurés par l’équipe étaient faibles par rapport aux échantillons d’eau de mer de l’étude précédente, mais il existait de grandes différences entre le degré d’activité des microbes individuels.
L'équipe de recherche travaille actuellement à appliquer sa méthode pour mesurer d'autres réactions anaérobies, telles que la réduction des nitrates, et à de nouveaux environnements, notamment les sédiments le long de la côte du Maine. Un projet connexe financé par NASA permet également à Lindsay et à ses collègues de tester la méthode dans les profondeurs souterraines de l'océan.
« À l'heure actuelle, nous obtenons toutes ces mesures ponctuelles dans le monde entier, et elles nous aident à mieux comprendre ce que font les microbes, mais nous devons les intensifier », a déclaré Lindsay. « Nous réfléchissons donc à la manière d'appliquer cette méthode dans de nouveaux endroits, voire potentiellement sur d'autres planètes, de manière élargie. »
