Il y a plus de 400 millions d’années, un animal ressemblant à un insecte appelé collembole a développé une petite protéine qui empêche ses cellules de geler.
Le globe était chaud et humide. La mer regorgeait de vie. Les premiers calmars, poissons ressemblant à des anguilles et vers de mer chassaient des animaux plus petits. Mais à la surface, rien ne bougeait. Les animaux n’avaient pas encore rampé jusqu’à terre.
Voilà à quoi ressemblait la Terre il y a environ 450 millions d’années, à la fin de l’Ordovicien.
L’eau chaude a créé des conditions de vie idéales pour la faune. Mais cela allait bientôt changer. Peu de temps après, les terres émergées commenceraient à geler et une calotte glaciaire commencerait à s’étendre.
L’eau, auparavant chaude et accueillante pour la faune, est devenue froide et inhospitalière. Un espèces après l’autre, ils succombèrent. En peu de temps, la moitié de la vie a été anéantie, ce qui constitue la deuxième pire extinction massive de l’histoire de la planète.
Collemboles : les survivants aux protéines antigel
Cependant, l’un des animaux qui ont survécu était le collembole. Un petit animal ressemblant à un insecte qui avait développé une stratégie particulière pour lutter contre le froid. Les cellules de l’animal avaient commencé à produire des protéines capables de protéger la cellule du gel.
Le collembole aurait pu être le premier animal à développer des protéines antigel. Les scientifiques pensaient auparavant que les animaux ne commençaient à faire cela que bien plus tard. Ceci est démontré par les recherches de Université d’Aarhus et l’Université Queen’s au Canada.
« Nous savions que les protéines antigel s’étaient développées indépendamment les unes des autres à plusieurs reprises au cours de l’histoire de l’évolution. Les poissons en ont. Les insectes en ont. Certaines araignées en ont. Mais avant de voir ces résultats, nous ne savions pas qu’ils s’étaient développés si tôt dans le monde animal », explique Martin Holmstrup.
Il est professeur au Département d’écosciences de l’Université d’Aarhus et l’un des chercheurs à l’origine de la nouvelle étude.
Les collemboles peuvent être trouvés partout, y compris dans votre jardin
Le collembole est un petit animal et les plus grandes espèces de collemboles ne mesurent que six millimètres de long. Il a six pattes et deux antennes devant. À première vue, cela ressemble à un insecte, mais ce n’est pas le cas. En fait, il possède sa propre branche sur l’arbre évolutif.
Jusqu’à présent, les chercheurs ont trouvé plus de 9 000 espèces différentes de collemboles, et on les trouve presque partout, y compris dans votre jardin. Les collemboles vivent généralement dans les couches supérieures du sol ou dans le feuillage tombé, où ils se nourrissent de champignons microscopiques, de bactéries et d’autres micro-organismes.
L’animal tire son nom de sa queue fourchue qu’il tient sous son corps comme la barre d’une catapulte. La queue est également connue sous le nom de furcula et l’animal peut la relâcher rapidement et sauter jusqu’à 10 centimètres dans les airs s’il est attaqué par un ennemi, par exemple une araignée.
Les collemboles sont bons pour la santé du sol car ils aident à faire recirculer les nutriments vers les plantes.
Petits animaux dans des boîtes de Pétri
Martin Holmstrup s’occupe de près de 20 espèces différentes de collemboles en laboratoire. Les petits animaux n’ont pas besoin de beaucoup d’espace. Une colonie entière peut vivre dans un seul bol en verre, dit-il.
« Nous les conservons dans des boîtes de Pétri à base de plâtre que nous pouvons garder humides. Comme nourriture, nous leur donnons un peu de levure sèche. C’est essentiellement tout ce dont ils ont besoin », dit-il.
Les collemboles du laboratoire de Martin sont ceux utilisés dans l’expérience. Il a envoyé des échantillons d’animaux à trois collègues au Canada, qui ont mené un certain nombre d’expériences moléculaires pour découvrir quand les animaux ont développé pour la première fois la protéine antigel.
Parce que les chercheurs connaissent ADN séquence qui permet aux cellules de construire la protéine antigel, elles peuvent rechercher la même séquence parmi les espèces, les familles et les rangs. Ils peuvent également calculer la date à laquelle s’est produite la mutation qui a conduit à la genèse du gène : la période ordovicienne.
« Les calculs montrent que les collemboles ont développé la protéine antigel bien avant les autres animaux. Cela ne s’est produit pour les poissons et les insectes qu’un million d’années plus tard. Bien que les plantes et les micro-organismes, tels que les bactéries et les algues unicellulaires, aient pu développer un mécanisme similaire encore plus tôt », dit-il.
Comment trouver des collemboles
Martin Holmstrup et ses collègues du Département d’écoscience ont eux-mêmes récolté les collemboles pour le laboratoire. Ils ont été rassemblés au Danemark, en Islande et au Groenland.
Ils ne sont pas si difficiles à trouver, vous pouvez même les trouver dans votre propre jardin.
Suivez simplement ces étapes :
Prenez une poignée de terre ou de feuillage de votre jardin et placez-la dans une passoire.
Placez une lampe réglable sur le tamis et placez un plateau sous le tamis.
La chaleur de la lampe incitera les collemboles à rechercher des environnements plus froids. Cela les fera tomber à travers le tamis et dans le plateau, où vous les trouverez en train de ramper.
Encapsule et ralentit les cristaux de glace
Bien que l’on puisse trouver des collemboles presque partout sur le globe, ils sont plus nombreux dans l’Arctique que partout ailleurs. Seul un petit nombre d’autres animaux terrestres peuvent survivre au froid du Groenland et du Canada, ce qui signifie que les collemboles peuvent se nourrir de bactéries et de champignons sans être dérangés.
« Les protéines antigels super puissantes des collemboles leur permettent de survivre dans les régions froides où ils n’ont qu’à partager leur nourriture avec quelques autres vers et insectes. Et ils n’ont pas beaucoup d’ennemis naturels », explique Martin Holmstrup.
En hiver, lorsque les températures baissent dans l’Arctique, les collemboles commencent à produire des protéines antigel. On les appelle également « protéines liant la glace » car elles peuvent s’accrocher à la surface de minuscules cristaux de glace et les empêcher de grossir. Les animaux terrestres entrent en contact étroit avec les cristaux de glace lorsque le sol gèle. Les protéines antigel jouent donc un rôle important en empêchant la glace de se propager chez l’animal et de le tuer.
« Tout comme nous – et la plupart des autres animaux – les collemboles ne peuvent pas survivre si leur « sang » se transforme en glace. Les protéines antigel aident à prévenir cela », dit-il.
Sec comme un raisin
Cependant, cette protéine spéciale n’est pas la seule capacité qui permet aux collemboles de survivre dans le froid rigoureux de l’Arctique. Ils ont un autre tour dans leur sac.
« Parce que chaque être vivant possède des molécules d’eau dans ses cellules, nous sommes vulnérables aux températures glaciales. Si l’eau gèle, les cellules sont détruites. Pour éviter cela, le collembole se laisse sécher et entre dans une forme d’hibernation pendant l’hiver », explique Martin Holmstrup.
Lorsque les collemboles hibernent, leur métabolisme devient si lent que les scientifiques ne peuvent pas réellement le mesurer. Cependant, lorsque le printemps arrive, ils réabsorbent l’eau dans le corps et redémarrent leur métabolisme.
« Vous pouvez les comparer à un raisin qui sèche en un raisin sec selon un processus qui rappelle la lyophilisation. Les collemboles rétrécissent et deviennent de petites créatures ridées en hiver. Et puis, quand le printemps arrive, ils absorbent l’eau et reprennent leur taille normale », dit-il.
Découvert dans un poisson qui aurait dû mourir congelé
Pendant de nombreuses années, la façon dont certaines espèces animales pouvaient survivre dans les régions les plus froides de la planète restait un mystère. Ce n’est qu’au milieu du siècle dernier que les scientifiques ont découvert les protéines antigel qui permettaient aux animaux de résister au froid.
Pendant des décennies, les scientifiques se sont demandé comment les poissons arctiques pouvaient nager dans une eau de mer à moins 1,8 degré. Celsius. Le point de congélation de l’eau de mer est plus bas en raison de sa teneur en sel. Le sang des poissons, en revanche, a un point de congélation de moins 1 degré Celsius, ce qui signifie qu’ils ne devraient pas pouvoir éviter de geler dans l’eau.
« La façon dont les poissons parvenaient à survivre dans l’eau de mer glacée a longtemps été un mystère. Cependant, à la fin des années 1960, le chercheur américain Arthur DeVries a pu isoler les protéines présentes dans les poissons de l’Arctique, qui, selon lui, étaient capables d’empêcher la formation de glace dans les cellules et le sang du poisson, même si celui-ci avait été en surfusion pendant toute la durée de son activité. sa vie », explique Martin Holmstrup
Depuis lors, les chercheurs ont découvert des protéines antigel chez un certain nombre d’autres animaux, plantes et micro-organismes. Et ces protéines antigels sont désormais utilisées par l’industrie.
« Les gènes qui codent pour les protéines antigel du poisson ont été copiés dans des cultures de cellules de levure industrielles. Cela permet à la levure de produire des protéines très utiles, qui peuvent ensuite être ajoutées à différents aliments.
— Professeur Martin Holmstrup
Histoire et application des protéines antigel
De nos jours, une grande partie de la nourriture est achetée et vendue sous forme de surgelés. Cependant, le problème est que les aliments surgelés changent si des cristaux de glace commencent à se former. Ils diminuent souvent le goût et la texture des aliments.
Cependant, cela peut être évité grâce aux protéines antigel spéciales, explique Martin Holmstrup :
« Les gènes qui codent pour les protéines antigel du poisson ont été copiés dans des cultures de cellules de levure industrielles. Cela permet à la levure de produire des protéines très utiles, qui peuvent ensuite être ajoutées à différents aliments », dit-il.
L’un des aliments où les protéines sont particulièrement efficaces est la crème glacée.
« Je sais qu’Unilever a utilisé les protéines contenues dans la crème glacée parce qu’elles contribuent à créer une texture vraiment agréable. La glace peut également être décongelée et recongelée sans se transformer en un bloc dur de cristaux de glace. À plus long terme, cet effet pourrait être utilisé dans le cadre de la cryoconservation des organes transplantés.
« D’autres industries, comme celles de l’aérospatiale et des éoliennes, ont également expérimenté les protéines. Ils espèrent que les protéines pourront protéger les ailes du gel et devoir être dégivrées.
L’étude est financée par les Instituts de recherche en santé du Canada et le Conseil danois pour la recherche indépendante.