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Mar-01-2012: Dernières nouvelles et informations

Deux articles décrivant des études de biologie systémique de la bactérie Bacillus subtilis sont publiés dans la revue Science le 1er mars 2012. Les bactéries sont parmi les êtres vivants les plus simples. Cependant, elles sont capables de s’adapter et de survivre dans des environnements très divers et changeants. B. subtilis vit naturellement dans le sol, mais il est aussi très largement utilisé pour la recherche fondamentale et pour des applications industrielles. B. subtilis est utilisé dans l’industrie pour produire des vitamines et des enzymes tels que ceux utilisés dans les lessives.
Pour survivre dans la nature, le laboratoire et l’industrie, B. subtilis doit s’adapter aux conditions qu’il rencontre. Pour comprendre ces adaptations, un consortium de chercheurs de 8 pays européens et d’Australie ont collaborés au sein du projet BaSysBio financé par la Commission Européenne. Le but était de comprendre la cellule en tant que système formé de composants moléculaires qui interagissent entre eux, et de définir les stratégies utilisées lors de l’adaptation. Ce niveau de compréhension nécessite l’acquisition et l’analyse de données à très grande échelle et leur intégration dans des modèles mathématiques. Cette approche interdisciplinaire caractérise la biologie systémique.
Les modèles mathématiques sont nécessaires pour capturer la complexité des systèmes vivants. Le génome de B. subtilis porte environ 4200 gènes qui sont transcrits en molécules d’ARN messagers à partir desquelles les protéines sont synthétisées. Ces protéines catalysent la chimie du vivant comme les réactions de biosynthèse ou de production d’énergie. La quantité et l’activité de chacun de ces composants peut être modifié par la cellule lors de son adaptation à un nouvel environnement. Ceci génère un système d’une énorme complexité que seuls les mathématiques et les ordinateurs permettent de manipuler.
Le répertoire des gènes exprimés dans plus d’une centaine de conditions différentes simulant les environnements naturels, de laboratoire, et industriels de B. subtilis, a été déterminé [link to Nicolas et al in Science, Link to www.basysbio.eu/bsubtranscriptome/seb]. Par cette étude d’une ampleur sans précédent, nous avons pu déduire comment B. subtilis régule l’expression de ses gènes au cours de l’adaptation à des changements nutritionnels et à des stress physiques ou chimiques [Link to www.basysbio.eu/bsubtranscriptome]. Nous avons découvert 512 nouveaux gènes et mis en évidence une transcription anti-sens abondante. Cette étude a identifié plus de 3000 promoteurs qui ont été classifiés selon leurs profils d’expression par une nouvelle approche statistique. Les groupes de gènes ayant des profils similaires ont été associés avec les différents types de la machinerie d’expression génique (ARN polymérase et facteurs sigmas). Ceci a permis pour la première fois de quantifier le rôle des facteurs sigmas dans les variations d’expression des gènes. Nous avons découvert que le changement de facteur sigma explique les deux tiers des variations observées. Il est donc un mécanisme majeur par lequel la bactérie active un nouveau programme génétique. De plus, nous avons analysé l’origine de la transcription anti-sens, et nous avons découvert que la majorité des ARN anti-sens sont produits lors d’erreurs dans l’initiation ou la terminaison de la transcription. Ceci suggère que les ARN anti-sens n’ont pas tous nécessairement une fonction biologique.
Bacillus subtilis pousse de façon similaire lorsqu’il consomme un sucre comme le glucose ou bien le malate. Nous avons étudié l’adaptation a priori simple de B. subtilis poussant avec un sucre et devant s’adapter à la disponibilité du second sucre dans le milieu [link to Buescher et al in Science, Link to www.basysbio.eu/nutrientshift]. Si on devait programmer une cellule pour faire cela, un nombre très limité de changements seraient théoriquement nécessaires. En utilisant une nouvelle combinaison d’approches computationnelles, nous avons montré que l’adaptation à l’addition de malate est presque instantanée et est principalement contrôlée par les changements dans l’activité des enzymes déjà présents dans la cellule. Par contre, l’adaptation à l’addition de glucose est beaucoup plus lente avec des changements très importants qui concernent presque la moitié des gènes de la bactérie. Pourquoi est ce qu’une cellule s’engage dans une réorganisation de cette amplitude alors qu’à priori quelques changements auraient été suffisants ? Sur la bases des modèles mathématiques, nous montrons que dans certaines conditions environnementales, l’évolution tend à favoriser les régulations complexes plutôt que les simples parce qu’elles permettent d’optimiser les performances. Parce que beaucoup de cellules utilisent des régulations complexes, ces conclusions ont une portée générale.
Les deux études sont pertinentes bien au-delà de la bactérie B. subtilis car elles représentent un « patron » pour appliquer la biologie systémique aux bactéries. En effet, les méthodologies expérimentales et computationnelles sont développées pour comprendre comment les processus d’adaptation sont coordonnés dans la cellule et quels sont les événements les plus importants pour cette adaptation. Cette approche de biologie systémique pose les fondations pour des applications en biotechnologie et en médecine. En effet, l’application de notre approche à des bactéries pathogènes ou d’intérêt industriel peu connues pourrait représenter un moyen très puissant de caractérisation fonctionnelle à un niveau global. Par exemple, la compréhension de comment les bactéries pathogènes s’adaptent pendant le processus d’infection aidera à développer des stratégies pour les combattre.