Comment les bactéries font feu avec des canons à lance

De nombreuses bactéries possèdent des appareils d'injection moléculaires sophistiqués qui leur permettent de réaliser des choses parfois extraordinaires. Grâce à une telle nanomachine composée de protéines, une bactérie inocule par exemple certaines molécules à une larve de ver, ce qui déclenche la transformation de la larve en un ver adulte. D'autres bactéries utilisent ces armes moléculaires pour tuer des souches bactériennes étrangères ou des larves d'insectes, ou pour se défendre contre les cellules phagocytaires.

Les chercheurs du groupe de Martin Pilhofer, professeur à l'Institut de biologie moléculaire et de biophysique à l'ETH Zurich, spécialisé dans ces machines moléculaires à injecter, viennent de décrire dans la revue Nature Microbiology deux systèmes d'injection inédits : l'un à partir de cyanobactéries, aussi appelées algues bleues, et l'autre à partir de la bactérie marine. Algoriphagus machipongonensis.

Les systèmes d'injection dits contractiles (CIS, de l'anglais contractile injection systems) récemment découverts fonctionnent fondamentalement différemment de ceux décrits précédemment et possèdent quelques caractéristiques uniques. De ce fait, ils fournissent également des informations sur les différences évolutives entre les différentes classes de systèmes d'injection.

De tels systèmes d'injection contractiles fonctionnent comme des seringues moléculaires. Si le module extérieur de la nanomachine se contracte, un tube caché à l'intérieur est éjecté et chargé de protéines. Celles-ci sont injectées soit dans l'environnement, soit directement dans une cellule cible.

Un ancrage surprenant dans la cellule

Le nouveau CIS que les chercheurs ont trouvé dans les cyanobactéries n'était en outre pas ancré dans la membrane cellulaire comme on pouvait s'y attendre ou flottant librement à l'intérieur de la cellule, mais fixé à la membrane dite thylakoïde. Cette membrane est une particularité des cyanobactéries et est l'endroit où se déroule la photosynthèse dans ces bactéries.

"C'est ce qui nous a le plus surpris", explique Gregor Weiss, auteur principal de l'étude sur le système d'injection des cyanobactéries. Malgré cette localisation inhabituelle, les CIS - appelés tCIS - ancrés dans la membrane du thylakoïde remplissent leur fonction : si les cyanobactéries sont stressées, par exemple par une concentration trop élevée de sel dans l'eau ou par la lumière ultraviolette, l'enveloppe cellulaire se détache. Les CISt orientés vers l'extérieur sont ainsi mis à nu et prêts à se déclencher au contact de cellules cibles potentielles.

Les canons à lance moléculaires sont en outre d'une fréquence inattendue, ce qui indique, selon Weiss, un rôle important dans le cycle de vie des cyanobactéries. Il suppose que le tCIS pourrait jouer un rôle dans la mort cellulaire programmée de cellules individuelles dans ces cyanobactéries multicellulaires.

Système d'injection extracellulaire

En revanche, les chercheurs de l'ETH Jingwei Xu et Charles Ericson, qui travaillent également dans le groupe de Pilhofer, ont découvert et décrit un système d'injection dérivé de la bactérie marine. Algoriphagus machipongonensis CIS produit qui n'est pas du tout ancré dans la cellule, mais qui est libéré par celle-ci dans l'environnement afin d'agir sur des cellules cibles dans l'environnement.

Les chercheurs ont notamment utilisé la cryo-microscopie électronique pour déterminer la structure de ce sous-type spécifique de CIS expulsés (eCIS) à très haute résolution, ce qu'aucun autre groupe de travail n'avait réussi à faire auparavant.

"Les nanomachines nouvellement découvertes nous donnent des indications sur le fait que les systèmes d'injection contractile sont plus répandus qu'on ne le pensait", déclare Ericson.

Des molécules aux bactéries entières

L'originalité de ces études réside dans leur approche multidisciplinaire et diversifiée : des bactéries collectées dans des écosystèmes naturels aux modèles de leurs CIS respectifs à l'échelle atomique. "Ce travail montre très bien comment différentes techniques peuvent être utilisées pour se faire une idée du fonctionnement de ces systèmes d'injection et de ces structures", explique Weiss. En outre, l'étude montre qu'il devient nécessaire de passer des souches de laboratoire aux échantillons environnementaux pour comprendre le rôle des systèmes d'injection dans le cycle de vie.

Utilisation future dans le domaine biomédical

Ces deux études aident les chercheurs à comprendre comment les organismes producteurs de CIS influencent leur environnement. En outre, différents sites dans ces systèmes fournissent des informations sur la manière dont chaque CIS est organisé dans un but précis : des récepteurs spécialisés en forme de cheveux permettent la liaison ciblée de cellules cibles ; une charge variable de ces seringues moléculaires provoque différents effets cellulaires, et différents mécanismes d'ancrage permettent aux CIS de remplir des fonctions totalement différentes.

Dans ce contexte, il est envisageable que les chercheurs utilisent à l'avenir cette structure composée de plusieurs modules dans le domaine biomédical et la transforment de manière à ce que les canons lance puissent cibler certains types de cellules et tirer des médicaments ou des antimicrobiens.

Cet article est basé sur un texte de Jessica Stanisich.