Une expérience répétée 600 fois révèle des indices sur les secrets de l'évolution

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Des flocons de neige de levure dans un laboratoire offrent un aperçu de la façon dont la vie sur Terre est passée d'organismes unicellulaires à multicellulaires.

Par Véronique Greenwood

Dans un laboratoire d'Atlanta, des milliers de cellules de levure se battent chaque jour pour leur vie. Ceux qui vivent un jour de plus grandissent le plus vite, se reproduisent le plus vite et forment les plus grosses touffes. Pendant environ une décennie, les cellules ont évolué pour s'accrocher les unes aux autres, formant des formes de flocons de neige ramifiés.

Ces étranges flocons de neige sont au cœur d'expériences explorant ce qui aurait pu se passer il y a des millions d'années, lorsque des créatures unicellulaires se sont regroupées pour la première fois pour devenir multicellulaires. Ce processus, même s'il s'est déroulé, a finalement abouti à des organismes peu maniables et fabuleusement étranges comme les pieuvres, les autruches, les hamsters et les humains.

Bien que l'on pense que la multicellularité a évolué au moins 20 fois dans l'histoire de la vie sur Terre, il est loin d'être évident que les êtres vivants passent d'une seule cellule à plusieurs qui partagent un destin. Mais, dans un article publié mercredi dans la revue Nature, les chercheurs révèlent un indice sur la façon dont les cellules pourraient commencer à se construire en un corps. L'équipe qui a produit la levure de flocon de neige a découvert qu'en 3 000 générations, les amas de levure devenaient si gros qu'ils pouvaient être vus à l'œil nu. En cours de route, ils ont évolué d'une substance douce et spongieuse à quelque chose avec la ténacité du bois.

Will Ratcliff, professeur à Georgia Tech, a commencé les expériences sur les levures lorsqu'il était à l'université. Il a été inspiré par Richard Lenski, biologiste à la Michigan State University, et ses collègues qui ont cultivé 12 flacons d'E. coli sur plus de 75 000 générations, documentant depuis 1988 comment les populations ont changé. Le Dr Ratcliff s'est demandé si une étude sur l'évolution encourageant les cellules à se serrer les coudes pourrait faire la lumière sur les origines de la multicellularité.

"Toutes les lignées que nous connaissons de cette multicellularité évoluée ont franchi cette étape il y a des centaines de millions d'années", a-t-il déclaré. "Et nous n'avons pas beaucoup d'informations sur la façon dont les cellules individuelles forment des groupes."

Il a donc mis en place une expérience simple. Chaque jour, il faisait tourbillonner des cellules de levure dans un tube à essai, aspirait celles qui coulaient le plus rapidement au fond, puis les utilisait pour faire croître la population de levure du lendemain. Il a estimé que s'il sélectionnait les individus ou les amas de cellules les plus lourds, la levure serait incitée à développer une manière de se serrer les coudes.

Et cela a fonctionné : dans les 60 jours, la levure flocon de neige est apparue. Lorsque ces levures se divisent, grâce à une mutation, elles ne se séparent pas complètement les unes des autres. Au lieu de cela, ils forment des structures ramifiées de cellules génétiquement identiques. La levure était devenue multicellulaire.

Mais les flocons de neige, a découvert le Dr Ratcliff alors qu'il poursuivait l'enquête, ne semblaient jamais devenir très gros, restant obstinément microscopiques. Il attribue à Ozan Bozdag, un chercheur postdoctoral de son groupe, une percée impliquant l'oxygène, ou son absence.

Pour de nombreux organismes, l'oxygène fonctionne comme une sorte de carburant de fusée. Il facilite l'accès à l'énergie stockée dans les sucres.

Le Dr Bozdag a donné de l'oxygène à certaines levures dans l'expérience et en a cultivé d'autres qui avaient une mutation qui les empêchait de l'utiliser. Il a découvert qu'au cours de 600 transferts, la levure qui manquait d'oxygène avait explosé en taille. Leurs flocons de neige ont grandi et grandi, devenant finalement visibles à l'œil nu. Un examen plus approfondi des structures a révélé que les cellules de levure étaient beaucoup plus longues que la normale. Les branches s'étaient enchevêtrées, formant une touffe dense.

Cette densité pourrait expliquer pourquoi l'oxygène semble avoir été un obstacle à la croissance de la levure, pensent les scientifiques. Pour les levures qui pouvaient utiliser de l'oxygène, grossir avait des inconvénients importants.

Tant que les flocons de neige restaient petits, les cellules avaient généralement un accès égal à l'oxygène. Mais de grands bourrelets denses signifiaient que les cellules de chaque touffe étaient coupées de l'oxygène.

La levure qui ne pouvait pas utiliser d'oxygène, en revanche, n'avait rien à perdre, et donc elle est devenue grosse. La découverte suggère que l'alimentation de toutes les cellules d'un cluster est un élément crucial des compromis auxquels un organisme est confronté lorsqu'il devient multicellulaire.

Les grappes qui se sont formées sont également coriaces.

"La quantité d'énergie nécessaire pour casser ces choses a augmenté de plus d'un facteur d'un million", a déclaré Peter Yunker, professeur à Georgia Tech et co-auteur de l'article.

Cette force peut être la clé d'une autre étape dans le développement de la multicellularité, explique le Dr Ratcliff - le développement de quelque chose comme un système circulatoire. Si les cellules à l'intérieur d'une grande masse ont besoin d'aide pour accéder aux nutriments, un corps suffisamment fort pour canaliser un flux de liquide est essentiel.

"C'est comme tirer un tuyau d'incendie dans un groupe de levure", a déclaré le Dr Yunker. Si le bloc cellulaire est faible, ce flux de nutriments le détruira avant que chaque cellule ne soit nourrie.

L'équipe étudie maintenant si des amas denses de levure de flocon de neige pourraient développer des moyens d'apporter des nutriments à leurs membres les plus intimes. S'ils le font, ces levures dans leurs tubes à essai à Atlanta pourraient nous dire quelque chose sur ce que c'était, il y a des éternités, lorsque vos ancêtres et de nombreux êtres vivants autour de vous ont commencé à construire des corps à partir de cellules.

Une version antérieure de cet article déformait l'affiliation d'un biologiste. Richard Lenski est à la Michigan State University, pas à l'Université du Michigan.

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