À l'aide d'images 3D détaillées, des chercheurs ont montré comment les bactéries ont développé des moteurs moléculaires de différentes puissances pour optimiser leur nage.

La découverte, par une équipe de l'Imperial College de Londres, fournit des informations sur l'évolution à l'échelle moléculaire.

Les bactéries utilisent des moteurs moléculaires de quelques dizaines de nanomètres de large pour faire tourner une queue (ou « flagelle ») qui les pousse à travers leur habitat. Comme les moteurs fabriqués par l'homme, la structure de ces machines nanométriques détermine leur puissance et la capacité de nage des bactéries.

Précédemment, l'équipe du département des sciences de la vie de l'Impériale a examiné ces moteurs et découvert un facteur clé qui déterminait la force avec laquelle les bactéries pouvaient nager. Comme les moteurs fabriqués par l'homme, les moteurs bactériens ont des composants « stator » et « rotor » distincts qui tournent les uns contre les autres.

L'équipe a découvert que plus le moteur bactérien possédait de structures statoriques, plus sa force de rotation est grande, et plus la bactérie nageait. Malgré ces différences, L'analyse des séquences d'ADN montre que les moteurs centraux sont liés de façon ancestrale. Cela a conduit les scientifiques à se demander comment la structure et la diversité de la nage ont évolué à partir de la même conception de base.

Maintenant, dans une nouvelle recherche publiée aujourd'hui dans la revue Rapports scientifiques , les chercheurs ont pu construire un «arbre généalogique» de moteurs bactériens en combinant l'imagerie 3D avec l'analyse de l'ADN. Cela leur a permis de comprendre à quoi ressemblaient les moteurs ancestraux, et comment ils auraient pu évoluer pour devenir les moteurs sophistiqués que l'on voit aujourd'hui.

L'équipe a trouvé une nette différence entre les moteurs des espèces bactériennes primitives et sophistiquées. Alors que de nombreuses espèces primitives avaient environ 12 stators, les espèces plus sophistiquées avaient environ 17 stators. Cette, avec analyse ADN, a suggéré que les moteurs anciens n'avaient peut-être que 12 stators.

Cette séparation claire entre les espèces primitives et sophistiquées représente un « saut quantique » dans l'évolution, selon les chercheurs. Leur étude révèle que l'augmentation de la puissance motrice est probablement le résultat de la fusion des structures existantes. Cela forme un échafaudage structurel pour incorporer plus de stators, qui se combinent pour entraîner la rotation avec une force plus élevée.

Le chercheur principal, le Dr Morgan Beeby, a déclaré :« Nous sommes habitués à observer l'évolution à l'échelle des animaux ou des plantes, comme le cou de la girafe qui s'allonge lentement au fil du temps pour atteindre des aliments auparavant inaccessibles.

"Toutefois, l'évolution à l'échelle moléculaire est beaucoup plus radicale. C'est comme si une girafe avait des enfants avec des cous soudainement plus longs d'un mètre."

Pour réaliser l'étude, l'équipe a visualisé un certain nombre de moteurs de différentes espèces de bactéries en utilisant une variante d'une méthode appelée microscopie cryo-élective, dont les pionniers ont reçu cette année le prix Nobel de chimie. La méthode consiste à geler rapidement les moteurs à l'intérieur des cellules vivantes. Une fois congelé, ils peuvent être imagés sous tous les angles pour créer une image en 3D de ce à quoi ressemble le moteur à l'intérieur de la cellule.

Ils ont ensuite construit un «arbre généalogique» de l'espèce en utilisant l'analyse de la séquence d'ADN, qui ont lié leur capacité de nage et leurs propriétés motrices. Ils ont découvert que les bactéries avec 17 stators ou plus, et leurs proches, avaient des structures supplémentaires attachées à leurs moteurs.

Les chercheurs pensent que ces structures supplémentaires ont fusionné dans des bactéries sophistiquées pour fournir un échafaudage plus grand pour supporter plus de stators.

Cependant, ils disent également qu'il ne s'agissait probablement pas d'un événement ponctuel. Les structures supplémentaires semblent avoir évolué plusieurs fois dans différentes espèces de bactéries, utilisant des blocs de construction différents mais produisant la même fonctionnalité.

Les mêmes fonctions évoluant indépendamment dans des organismes complètement différents ont déjà été observées dans les règnes animal et végétal. Par exemple, insectes, les chauves-souris et les oiseaux ont tous des ailes évoluées qui ont des fonctions similaires mais ont des origines complètement différentes, les yeux ont émergé plusieurs fois, et il existe de bonnes preuves que les systèmes nerveux ont également évolué plusieurs fois, avec certaines créatures possédant des systèmes étranges contrairement au cerveau et à la moelle épinière auxquels nous sommes habitués.

Le Dr Beeby a déclaré :« Les moteurs bactériens sont des machines complexes, mais avec des études comme celle-ci, nous pouvons voir comment ils ont évolué par étapes distinctes. De plus, le "saut" de 12 stators à 17, tandis qu'une grande innovation, a un aspect « inévitable biologique » au même titre que les ailes, les yeux, ou du système nerveux chez les animaux supérieurs :les précurseurs du couple élevé ont évolué plusieurs fois, et un ensemble d'entre eux a fini par fusionner pour former l'échafaudage que nous décrivons dans notre travail."

Il a ajouté :« L'évolution est un processus créatif, s'appuyant souvent sur des variations sur un thème. Il produit constamment de nouvelles idées moléculaires, dont beaucoup échouent, mais inévitablement, certains se réalisent plusieurs fois. Nous avons vu cela chez les animaux, et maintenant nous voyons aussi ce processus dans le monde nanoscopique de l'évolution moléculaire."