Comment les communautés microbiennes façonnent l'écologie marine
Un projet de recherche international codirigé par l'ETH Zurich et le MIT reçoit à nouveau 15 millions de dollars américains de la Simons Foundation de New York pour étudier le comportement des bactéries marines et des microalgues. L'accent est mis sur les communautés microbiennes qui influencent le cycle du carbone dans l'océan.
Sans micro-organismes, il n'y aurait pas de vie supérieure. Les bactéries et les algues unicellulaires forment des communautés dynamiques qui contrôlent des processus écologiques fondamentaux : elles construisent la biomasse, décomposent la matière organique morte et recyclent les éléments de la vie. "Malgré leur énorme importance, on sait encore peu de choses sur la nature des sociétés microbiennes", explique Roman Stocker, professeur à l'ETH, Institut des sciences et ingénierie de l'environnement.
Depuis mai 2017, Stocker, son équipe et neuf groupes de recherche de différentes hautes écoles recherchent les principes de fonctionnement qui sous-tendent les écosystèmes microbiens dans l'océan. Le projet Principles of Microbial Ecosystems (PriME) est dirigé conjointement par l'ETH Zurich et le Massachusetts Institute of Technology (MIT) et soutenu financièrement par la Simons Foundation américaine (voir Communiqué de presse). Stocker est co-directeur de PriME et avait co-initié le projet il y a six ans.
Récemment, PriME est entré dans sa deuxième phase : la Simons Foundation soutient à nouveau le consortium à hauteur de 15 millions de dollars US pour la deuxième phase du projet, afin d'analyser les interactions entre les bactéries marines et les algues unicellulaires à l'échelle microscopique au cours des cinq prochaines années. Et trois groupes de recherche de l'ETH Zurich sont à nouveau de la partie : les professeurs Martin Ackermann, Uwe Sauer et Roman Stocker reçoivent ensemble 4,2 millions de dollars US de la fondation new-yorkaise. L'objectif général reste le même : les partenaires du projet veulent comprendre comment les microbes marins forment des communautés et comment ces associations fonctionnent.
Des connaissances en ingénierie pour de nouveaux outils de recherche
La dynamique des sociétés microbiennes est déterminée par le comportement de leurs membres - et ceux-ci sont souvent tout sauf inertes : "De nombreux microbes peuvent nager. Ils perçoivent activement leur environnement, se déplacent de manière ciblée et interagissent avec lui", explique Stocker.
Il est toutefois difficile de rendre visible l'interaction de ces cellules. Dans une seule goutte d'eau de mer, plus d'un million de microbes grouillent. "L'échelle des interactions bactériennes est si petite que nous ne pouvons tout simplement pas les étudier avec les méthodes océanographiques courantes", explique l'ingénieur environnemental. Dans son laboratoire du Département de génie civil, environnemental et géomatique, il développe des procédés de microécologie qui comblent cette lacune méthodologique.
Stocker est un pionnier dans le domaine de la microfluidique environnementale. Son groupe utilise les techniques de la microfluidique, qui sont habituellement utilisées par les ingénieurs chimistes pour manipuler de très petites quantités de liquides, et les combine avec la microscopie et l'imagerie modernes pour étudier les microécosystèmes.
Tests de comportement pour microbes individuels
La microfluidique environnementale permet par exemple de visualiser le comportement de microbes individuels avec une haute résolution et de quantifier en même temps les processus métaboliques. Cela ouvre de nouvelles perspectives : "Nous pouvons non seulement suivre comment les cellules individuelles se déplacent et prennent des décisions, mais aussi vérifier pourquoi elles le font", explique l'ingénieur environnemental.
Un exemple est le test de préférence chimique pour les microbes, que les chercheurs de l'ETH ont développé spécialement pour une utilisation dans l'océan libre. Le "In situ Chemotaxis Assay", en abrégé ISCA, se compose d'une plaque en plastique de la taille d'une carte de crédit avec de petits compartiments à l'intérieur, reliés au monde extérieur par de fins canaux - une sorte de piège à homard en micro-format. Les bactéries qui aiment "l'odeur" d'un attractif dans le piège suivent la piste et nagent à l'intérieur.
La capacité des bactéries à nager ou à s'éloigner de manière ciblée en direction de substances plus concentrées est appelée chimiotaxie. Jusqu'à récemment, ce comportement n'était connu que par des essais en laboratoire.
Les microbes marins trouvent leur nourriture par chimiotactisme
Grâce à la puce microfluidique ISCA, l'équipe de Stocker a pu, en collaboration avec des collègues australiens, étudier pour la première fois la manière dont les bactéries marines cherchent de la nourriture dans l'océan. Dans une étude très remarquée publiée dans page externeNature en avril dernier, les chercheurs ont pu montrer que les espèces bactériennes les plus diverses des eaux côtières au large de Sydney utilisent effectivement la chimiotaxie pour détecter le phytoplancton - il s'agit de microalgues qui absorbent le CO2 de l'eau et produisent des substances organiques par photosynthèse. Une partie des substances synthétisées est libérée dans l'eau de mer par les algues et constitue le repas préféré des bactéries : Dans un environnement autrement pauvre en substances nutritives, elles reniflent leur nourriture et naviguent de manière ciblée en direction de ces points chauds à l'échelle microscopique de molécules alimentaires dissoutes.
On avait supposé pendant des décennies que les bactéries sauvages trouvaient leur nourriture grâce à la chimiotaxie, mais cela n'avait jamais été confirmé jusqu'à présent dans l'océan libre. Cette découverte est importante sur le plan écologique : Lorsque des bactéries mobiles cherchent de la nourriture de manière ciblée, leur taux de réussite augmente de manière significative. Cela permet également à des microbes rares de se rassembler en nombre autour d'une source de nourriture.
Ainsi, autour de chaque cellule vivante de phytoplancton gravitent toujours plusieurs espèces de bactéries qui se nourrissent de leurs produits de synthèse. C'est l'une des interactions les plus importantes des micro-organismes marins : le métabolisme collectif de cette communauté microbienne valorise la matière organique, recycle le CO2 et alimentent ainsi le cycle du carbone dans l'océan.
La dégradation de la neige marine amortit la pompe à carbone
Le phytoplancton est également le protagoniste d'une autre interaction importante, dans le cadre de laquelle il s'écoule dans les profondeurs sous forme de neige marine. Ce phénomène provient des milliards et des milliards d'algues unicellulaires qui se développent dans les couches supérieures de l'eau baignées de lumière, puis meurent et descendent vers le fond de l'océan sous forme de particules organiques. La "pompe à carbone biologique" transporte ainsi en permanence du carbone lié vers les profondeurs. Cependant, un processus inverse freine les rétroactions carbone-climat : Pendant la descente, les flocons de neige sont colonisés par d'innombrables bactéries qui décomposent en grande partie la matière organique et libèrent du CO2 produire.
"Même si seule une fraction du carbone atteint le sol et y est stockée, la pompe biologique à carbone permet néanmoins aux mers d'absorber de grandes quantités de CO2 de l'atmosphère", explique Stocker. Son équipe a examiné de plus près la lutte microbienne sur le fret vers les profondeurs et a découvert que les bactéries décomposent les particules qui coulent jusqu'à dix fois plus vite que ce que l'on supposait jusqu'à présent sur la base d'essais en laboratoire dans une eau sans courant. Un coup d'œil à haute résolution sur la dynamique à l'échelle microscopique autour des flocons qui coulent a révélé la raison : le courant provoqué par le naufrage emporte en permanence les sous-produits de la décomposition qui, sinon, compliquent de plus en plus le travail des enzymes bactériens.
"Pour mieux évaluer, par exemple, les conséquences du changement climatique sur les processus écologiques clés, il est crucial de savoir comment les nombreuses espèces interagissent dans les sociétés microbiennes".Roman Stocker
Ainsi, la quantité de carbone qui atteint le fond de l'océan diminue. Sur la base de calculs de modélisation des rétroactions carbone-climat, les chercheurs estiment que la dégradation accrue des particules réduit de moitié l'efficacité théorique de transport de la pompe à carbone, ce qui correspond bien aux mesures macroscopiques du transport réel du carbone dans l'océan.
Focus sur les processus écologiques clés
Au cours des cinq dernières années, le consortium Prime a produit plus de 60 publications ; la plupart d'entre elles mettent en lumière la manière dont les microbes trouvent leur nourriture et l'utilisent. Dans le projet de suivi, les partenaires veulent désormais se concentrer délibérément sur les deux microécosystèmes écologiquement importants que sont le phytoplancton et les particules de neige marine. Concrètement, il s'agit d'étudier de manière approfondie les interactions entre les bactéries et les algues unicellulaires ainsi que celles entre les bactéries et la neige marine.
A l'ETH, Stocker travaillera en étroite collaboration avec Martin Ackermann et Uwe Sauer. Ackermann est directeur de l'Eawag et dirige le groupe d'écologie microbienne à l'ETH, à l'Eawag et à l'EPFL. Il est expert en individualité bactérienne et apporte à l'équipe une compréhension approfondie de la manière dont les interactions entre les cellules bactériennes individuelles influencent la communauté. Sauer est un biologiste des systèmes et un spécialiste des processus métaboliques bactériens. Il contribue aux méthodes les plus modernes pour mesurer avec une haute résolution les substances échangées par les microbes dans les communautés. Ensemble, les chercheurs veulent jeter un pont entre le comportement des cellules individuelles et la fonction écologique des mers. Cela inclut notamment l'impact des communautés microbiennes sur les rétroactions carbone-climat dans l'océan.
"Car pour pouvoir mieux évaluer par exemple les conséquences du changement climatique sur les processus écologiques clés, il est décisif de savoir comment les nombreuses espèces interagissent dans les sociétés microbiennes", constate Stocker. L'étude de l'infiniment petit peut ainsi aider à mieux comprendre notre monde à grande échelle.