Bacillus subtilis bioluminescence. Crédit : Ella Baker – Centre Jack Dorling John Innes
Plus de 10 % de toutes les formes de vie sont composées de bactéries, mais ce n’est que récemment que nous avons compris que, comme les humains, les bactéries du sol possèdent des horloges internes. Ces rythmes circadiens alignent leurs activités sur le cycle jour-nuit de 24 heures de la Terre.
De nouvelles recherches montrent à quel point ces horloges circadiennes bactériennes sont complexes et sophistiquées, ouvrant la voie à une nouvelle phase d’étude passionnante. Ce travail offrira diverses opportunités, de la synchronisation précise de l’utilisation d’antibiotiques à la bio-ingénierie de microbiomes intestinaux et du sol plus intelligents.
Une collaboration internationale de l’Université Ludwig Maximillian de Munich (LMU Munich), du Centre John Innes, de l’Université technique du Danemark et de l’Université de Leiden, a fait la découverte en sondant l’expression des gènes comme preuve de l’activité de l’horloge dans la bactérie du sol répandue Bacillus subtilis.
L’auteur principal, le Dr Francesca Sartor (LMU Munich), rapporte : « L’horloge circadienne de ce microbe est omniprésente : nous le voyons réguler plusieurs gènes et une gamme de comportements différents.
Le professeur Antony Dodd du John Innes Center a ajouté: « Il est étonnant qu’un organisme unicellulaire avec un si petit génome ait une horloge circadienne avec certaines propriétés qui évoquent des horloges dans des organismes plus complexes. »
Des travaux antérieurs de cette équipe collaborative avaient démontré l’existence d’une horloge circadienne dans une souche dérivée de laboratoire de cette bactérie. C’était la première fois que des horloges circadiennes étaient observées chez la bactérie Bacillus subtilis. Les chercheurs ont utilisé une technique qui insère une enzyme appelée luciférase qui produit de la lumière lorsqu’un gène est exprimé. Cette bioluminescence a guidé l’équipe dans la surveillance de l’horloge bactérienne à mesure que les conditions variaient.
L’auteur principal de la publication, le professeur Martha Merrow du LMU Munich, a déclaré: « Cette étude montre que les horloges circadiennes sont largement répandues dans Bacillus subtilis. Nous pourrions capitaliser sur la connaissance de l’horloge pour améliorer les résultats de santé et accroître la durabilité de la production alimentaire ou de la biotechnologie.
Cette nouvelle étude est une avancée significative pour plusieurs raisons. Elle révèle que ces horloges existent dans des souches prélevées dans des milieux naturels, donc pourraient être largement répandues chez cette bactérie. En outre, B. subtilis continue de montrer des rythmes circadiens à la fois dans l’obscurité constante et dans la lumière constante, et les chercheurs révèlent des exemples de réponses nuancées trouvées dans les horloges circadiennes de nombreux autres organismes. Dans le domaine de la biologie circadienne, ces réponses sont connues sous le nom de « séquelles » et « règle d’Aschoff ». Pris ensemble, cela suggère que, comme dans des organismes plus complexes, les bactéries peuvent synchroniser leur physiologie et leur métabolisme à différents moments de la journée à mesure que les conditions de lumière et de température changent.
La découverte offre des opportunités pour la biotechnologie, la santé humaine et la phytologie. Comprendre les propriétés des horloges circadiennes bactériennes peut nous aider dans les applications industrielles de la microbiologie ; cela pourrait conduire à une nouvelle compréhension de la formation des microbiomes et pourrait indiquer dans quelle mesure les antibiotiques fonctionnent à certains moments de la journée pour perturber les bactéries pathogènes. Les connaissances peuvent également nous aider dans la protection des cultures. Bacillus subtilis est une bactérie bénéfique du sol utilisée par les agriculteurs pour favoriser l’échange de nutriments, le développement des plantes et la défense contre les microbes pathogènes.
L’équipe se développe Bacillus subtilis comme organisme modèle pour l’étude des horloges circadiennes chez les bactéries. L’une des prochaines étapes consiste à déterminer quels gènes fonctionnent pour constituer le mécanisme de l’horloge. L’équipe est également curieuse de savoir comment B. subtilis l’horloge circadienne dépend de l’organisation multicellulaire pour sa pleine fonctionnalité.
Les horloges circadiennes sont des oscillateurs internes qui offrent un avantage sélectif aux organismes en adaptant leur physiologie et leur métabolisme aux changements de l’environnement sur 24 h, tels que les changements de lumière, de température ou de comportement des prédateurs. Ils donnent lieu aux effets discordants du décalage horaire lorsque nous passons dans des fuseaux horaires différents.
Le professeur Ákos T. Kovács, de l’Université de Leiden et de l’Université technique du Danemark, a déclaré : « Le biologiste français Jacques Monod a dit un jour : « Ce qui est vrai pour E. coli est vrai pour l’éléphant.’ A l’époque, il se référait aux règles universelles de la biologie moléculaire – de ADN et protéines. De même, il est étonnant que l’horloge circadienne de Bacillus subtilis– une bactérie avec seulement quatre mille gènes – possède un système circadien complexe qui rappelle les horloges circadiennes d’organismes complexes tels que les mouches, les mammifères et les plantes.
