Les bactéries sont partout autour de nous – et ça va

Victoria Orphan aime l’océan depuis aussi longtemps qu’elle se souvienne. Elle avait l’habitude de faire de la plongée avec tuba dans l’océan Pacifique près de la maison de sa famille à San Diego, en Californie. Elle prenait son masque et son tuba pour visiter le monde caché des plantes et des animaux sous la surface de l’océan. Orphan est allée à l’Université de Californie à Santa Barbara au début des années 1990. Là, elle a découvert quelque chose qui a changé sa façon de penser des océans — et de la vie sur Terre.

Un autre étudiant lui a montré une petite fiole d’eau de mer. Orphan ne pensait pas que ça avait l’air si intéressant. C’était juste une vieille eau. Ensuite, l’autre élève a ajouté un produit chimique fluorescent à l’eau et a fait briller la lumière ultraviolette dessus. Le tube s’est allumé alors que des millions de minuscules bactéries commençaient à briller. Quelques instants plus tôt, les microbes étaient invisibles. ”Ces petits organismes étaient partout », dit Orphan, « et pourtant nous ne pouvions pas les voir. Nous ne savions presque rien d’eux. »

Elle passe maintenant ses journées à explorer ce monde unicellulaire caché. En tant que géobiologiste à Caltech à Pasadena, en Californie., elle étudie comment les bactéries et autres formes de vie microscopiques façonnent la mer profonde.

Les bactéries jouent un rôle central dans de nombreux écosystèmes. Ceux-ci incluent les océans, le sol et l’atmosphère. Ils sont également une grande partie du réseau alimentaire mondial. Les bactéries permettent à toute autre vie sur Terre d’exister. C’est pourquoi les scientifiques disent que ces organismes unicellulaires sont l’épine dorsale invisible de toute vie – du moins sur Terre.

Pourtant, il y a beaucoup de choses que nous ignorons à leur sujet. Les scientifiques pensent avoir identifié moins d’un pour cent de toutes les espèces bactériennes. Cela a poussé Orphan et d’autres à explorer les mystères de leur monde unicellulaire. Ils soupçonnent que les bactéries s’avéreront essentielles à la compréhension — et à la protection — des ressources naturelles les plus importantes de la Terre.

Les mangeurs de méthane

Certaines bactéries mangent des choses vraiment bizarres. Les scientifiques ont trouvé des bactéries qui mangent des roches— des eaux usées – même des déchets nucléaires. Orphan étudie un type de bactéries qui vivent au fond de la mer et engloutissent le méthane.

Le méthane est un gaz à effet de serre. Comme le dioxyde de carbone et certains autres gaz à effet de serre, il pénètre dans l’air lorsque les gens brûlent du pétrole, du gaz et du charbon. Il existe également des sources naturelles de méthane, telles que le gaz naturel, la production de riz et le fumier de vache. Les gaz à effet de serre emprisonnent la chaleur dans l’atmosphère. Un excès de ces gaz dans l’atmosphère terrestre a réchauffé le climat mondial.

Le méthane peut s’infiltrer hors de la Terre au fond de la mer. Certains scientifiques disent qu’encore plus de méthane s’échapperait dans l’atmosphère sans les bactéries marines. Certaines de ces bactéries mangent du méthane. Cela permet aux océans de piéger une énorme quantité de gaz.  » Ces micro-organismes sont les gardiens. Ils empêchent le méthane des océans de pénétrer dans l’atmosphère où il peut modifier les niveaux de gaz à effet de serre ”, explique Orphan.

Trouver des organismes unicellulaires sur les vastes fonds marins peut être un défi. À travers la fenêtre d’un sous-marin, elle cherche des amas de palourdes et de vers tubulaires géants. Ces organismes signalent que des bactéries marines invisibles y vivent également. Où que vivent ces mangeurs de méthane, ils créent de nouvelles molécules en dînant. D’autres organismes utilisent ces nouvelles molécules comme nourriture. Un réseau alimentaire entier jaillit au fond de l’océan.

Orphan et son équipe ont trouvé des bactéries mangeuses de méthane le long des fissures du fond marin, où ce gaz s’infiltre. Ces fissures se produisent souvent lorsque deux plaques tectoniques se heurtent l’une à l’autre.

Certaines bactéries, ont-elles appris, ne peuvent manger du méthane qu’en s’associant à d’autres organismes unicellulaires appelés archées (Ar-KEE-uh). Ce détail important pourrait aider les scientifiques à mieux prédire la quantité de méthane qui s’échappe dans l’air, dit Orphan.

Dans les tranchées

Les mangeurs de méthane ne sont pas les seules bactéries des grands fonds à intéresser les scientifiques. ”La mer profonde abrite des microbes assez cool », explique Jennifer Biddle. Elle est microbiologiste marine à l’Université du Delaware à Newark. Biddle étudie les bactéries qui vivent dans les tranchées profondes de l’océan.

Ces canyons sous-marins sont parmi les endroits les moins étudiés sur Terre. Ils sont incroyablement difficiles à atteindre. Challenger Deep remporte le record du spot le plus profond de la planète. Au fond de la fosse des Mariannes, dans le Pacifique occidental, Challenger Deep se trouve à environ 11 kilomètres (plus de 7 miles) sous la surface de l’océan. Si le mont Everest, la plus haute montagne du monde, se trouvait dans la fosse des Mariannes, son sommet serait encore à plus d’un kilomètre sous les vagues.

La fosse des Mariannes est l’un des endroits les plus difficiles pour la survie de la vie. Zéro lumière du soleil l’atteint. Ses températures sont glaciales. Les grands animaux, tels que les baleines ou les poissons, ne peuvent pas les visiter car les pressions intenses qui y sont exercées les écraseraient. Rien de surprenant, donc, que la plupart des habitants soient microscopiques. Ils ont adapté ses conditions extrêmes.

Biddle et d’autres scientifiques se sont associés à des explorateurs des grands fonds pour envoyer un sous-marin à Challenger Deep. James Cameron a piloté le navire. (Il est le réalisateur célèbre pour Avatar et Titanic.) Cameron a visité le fond de Challenger Deep en mars 2012 lors de la réalisation d’un documentaire intitulé Deepsea Challenge 3D. Mais le trek du sous-marin n’était pas seulement pour obtenir une vidéo fascinante pour le Grand écran. Le navire a également ramené des sédiments du fond de la tranchée.

Biddle et les autres scientifiques ont examiné ce sédiment à la recherche d’ADN. Ils recherchaient des gènes de bactéries familières. Ils ont trouvé des preuves de certaines connues sous le nom de Parcubactéries.

Les scientifiques ne savaient même pas que ce grand groupe de bactéries existait avant 2011. À l’époque, ils en ont trouvé dans les eaux souterraines et la saleté de quelques endroits sur terre. Mais le groupe de Biddle a maintenant montré qu’il survit également dans l’une des profondeurs les plus inaccessibles de l’océan.

Ici, sur le sol de la tranchée, les microbes respiraient de l’azote et non de l’oxygène (comme sur terre). Et c’est logique. Ils s’étaient adaptés à l’azote car leur maison avait peu accès à l’oxygène.

Plus nous trouvons de bactéries aussi peu connues, dit Biddle, plus nous pouvons en apprendre davantage sur ce qu’elles font pour leurs écosystèmes.

L’histoire continue sous la vidéo.

Du pain aux biocarburants

Même les bactéries de nos cuisines et de nos tas de compost intéressent les scientifiques.

Le pain au levain a sa saveur acidulée unique lorsqu’un mélange de bactéries grignote les sucres de la farine à pain. Ces bactéries produisent du dioxyde de carbone, des acides et d’autres composés savoureux. Mais pour fonctionner, les bactéries au levain ont besoin de leurs amis. Isolez une seule espèce bactérienne du mélange et la réaction chimique ne se produira pas. Pas de levain.

Le microbiologiste Steve Singer vit près de San Francisco, une ville californienne célèbre pour son pain au levain. Il travaille pour le Département de l’Énergie du Laboratoire national Lawrence Berkeley. Et il se doutait qu’il pourrait utiliser les leçons du levain pour fabriquer de meilleurs biocarburants. Ces carburants à base de plantes peuvent alimenter des voitures ou des camions. Ils sont considérés comme « verts », c’est-à-dire plus respectueux de la Terre, que les combustibles fossiles.

Pour fabriquer des biocarburants, les scientifiques doivent décomposer les plantes en sucres. Ces sucres peuvent ensuite être transformés en carburants tels que l’éthanol (un type d’alcool). Les réactions chimiques qui décomposent les plantes nécessitent l’aide d’enzymes. Ce sont des molécules qui démarrent ou accélèrent les réactions chimiques.

Les enzymes actuellement utilisées pour fabriquer des biocarburants sont chères. Ils ne fonctionnent pas bien non plus, dit Singer. C’est pourquoi des chercheurs du monde entier recherchent des enzymes qui pourraient réduire le coût et accélérer la production de biocarburants.

Il a tourné sa recherche vers le tas de compost. Là, les communautés bactériennes travaillaient dur pour décomposer les fruits et les légumes en décomposition.

Singer a ramené un petit échantillon du compost à son laboratoire. Là, il a laissé les bactéries du compost pousser dans un bécher. Plus tard, il a collecté les enzymes fabriquées par ces bactéries et les a testées sur d’autres morceaux de plantes. Cela a fonctionné: Les enzymes ont décomposé les plantes en sucres.

Tout comme les bactéries du levain ont besoin de leurs amis pour fonctionner, Singer a découvert que ces microbes ne produisaient les enzymes utiles que lorsqu’ils faisaient partie de communautés robustes de différentes bactéries du compost. Singer intensifie maintenant son projet. Son équipe cultive des bactéries dans d’énormes cuves appelées bioréacteurs. Après avoir fabriqué de nombreuses nouvelles enzymes, il peut vérifier si elles fonctionnent mieux que celles existantes pour convertir les déchets végétaux en combustibles.

« Prendre quelque chose de l’environnement et essayer de comprendre comment cela fonctionne est l’une des meilleures parties d’être un microbiologiste”, dit Singer.

Méta microbes

Singer étudie ses nouvelles enzymes sans savoir quelles bactéries les fabriquent. Ce n’est pas si inhabituel. Les bactéries sont invisibles à l’œil nu. Même avec un microscope, distinguer deux espèces peut être difficile. Ils ne sont pas aussi différents que deux espèces d’oiseaux ou de fleurs.

Les scientifiques avaient besoin d’une autre façon de distinguer les bactéries et de savoir quand elles en sont tombées sur de nouvelles. Clé de cette recherche : l’ADN.

Tous les organismes perdent un peu d’ADN dans leur environnement.  » C’est comme une empreinte digitale. Chacun est unique « , explique Kelly Ramirez. Elle étudie les bactéries à l’Institut néerlandais d’écologie de Wageningen.

Tamponnez votre comptoir de cuisine et vous pourriez trouver de l’ADN humain (de vous et de vos parents). Il pourrait y avoir de l’ADN végétal (à partir des légumes que vous venez de couper) et d’un champignon ou deux. Il pourrait même y avoir de l’ADN de chien ou de chat si vous avez un animal de compagnie. Vous obtiendrez également un tas d’ADN bactérien car, eh bien, les bactéries sont partout!

Tous les bits génétiques rejetés sont connus sous le nom d’ADN environnemental, ou eDNA.

Les scientifiques peuvent utiliser ces empreintes génétiques pour découvrir de nouvelles bactéries, note Ramirez. Ils ont juste besoin d’apporter un peu de saleté, d’eau de mer ou de compost dans un laboratoire et de vérifier ce qu’il contient.

La somme de tout le matériel génétique dans un environnement s’appelle le métagénome (MET-uh-GEE-noam). Pensez-y comme une soupe d’ADN. Toutes les molécules utilisées pour construire les gènes de différents organismes sont mélangées ensemble.

Les scientifiques utilisent des ordinateurs pour démêler le désordre.

Comme un tamis, les programmes informatiques filtrent la soupe. Ils recherchent des modèles familiers connus sous le nom de séquences génétiques. Ils forment l’empreinte ADN d’un organisme. Si les scientifiques trouvent une empreinte digitale qu’ils ne reconnaissent pas, c’est peut-être parce qu’elle provient de nouvelles espèces.

Les scientifiques peuvent comparer ces modèles aux empreintes digitales de bactéries familières pour voir où les nouvelles bactéries tombent dans l’arbre de vie. ”Nous pouvons maintenant découvrir de nouveaux microbes sans jamais les voir », explique Biddle de l’Université du Delaware.

Le membre bactérien de l’arbre de vie fait germer de nouvelles pousses et branches plus rapidement qu’à n’importe quel moment de l’histoire. Il y a trente ans, tous les organismes unicellulaires connus sur la planète se classaient dans une douzaine de grands groupes. Il existe maintenant environ 120 groupes connus, ou phyla (FY-lah). Et le nombre de bactéries nommées dans chaque groupe augmente quotidiennement.

Petite vie, grandes données

Qu’obtenez-vous lorsque vous additionnez les séquences d’ADN de millions de nouvelles bactéries? Beaucoup, beaucoup de données.

On peut considérer la planète comme une machine, et tous les écosystèmes de la Terre comme les pièces de la machine, dit Jack Gilbert. Toutes ces données sur l’ADN bactérien sont essentielles pour « comprendre les pièces qui composent la machine et comment elles fonctionnent toutes ensemble », dit-il. Gilbert est microbiologiste au Laboratoire national d’Argonne près de Chicago, dans l’Illinois.

Son équipe essaie d’organiser ces données dans un catalogue virtuel de toutes les bactéries sur Terre. C’est ce qu’on appelle le Projet du Microbiome de la Terre. Plus de 1 000 scientifiques du monde entier aident à collecter des échantillons. Ils recherchent dans une foule d’environnements différents, puis les testent pour l’ADN bactérien.

Jusqu’à présent, les chercheurs ont collecté 100 000 échantillons. Ils ont répertorié les bactéries des océans les plus profonds. Ils ont trouvé des bactéries sur la Station spatiale internationale, à environ 350 kilomètres (220 miles) au-dessus de la Terre. Ils ont découvert des bactéries dans des endroits exotiques comme la forêt amazonienne et des endroits ordinaires comme les toilettes publiques.

Découvrir quelles bactéries s’y cachent — et pourquoi – est la première étape pour comprendre comment les différents écosystèmes pilotent la vaste machine que nous considérons comme la vie sur Terre. Apprendre sur les bactéries peut nous aider à répondre aux questions sur le fonctionnement de notre planète, explique Gilbert. Les bactéries peuvent expliquer pourquoi les récifs coralliens de l’océan regorgent de vie. Ou ils pourraient expliquer pourquoi les sols de la prairie nord-américaine sont si bons pour la plantation de cultures.

C’est pourquoi cette recherche est si importante, dit-il: « C’est une connaissance qui peut nous aider à mieux prendre soin de la planète.”