Intrinsic timekeeping in Escherichia coli

La plupart des êtres vivants, des plus petits organismes unicellulaires aux animaux complexes, possèdent un sens interne du temps. Cette horloge biologique permet de les aider à anticiper les changements prévisibles de leur environnement, tels que le lever du soleil ou le refroidissement de l'air nocturne, plutôt que de simplement y réagir une fois qu'ils se produisent. Chez les humains et les autres animaux, ces horloges coordonnent le sommeil, le métabolisme et la fonction immunitaire, garantissant que des activités conflictuelles ne se produisent pas en même temps. Pendant des décennies, les scientifiques ont cru que cette capacité à donner l'heure était limitée aux organismes dotés de systèmes nerveux complexes ou à ceux qui pratiquent la photosynthèse, comme les plantes et certaines bactéries qui récoltent la lumière du soleil. Les bactéries non photosynthétiques, qui constituent une vaste partie du monde microbien, étaient généralement considérées comme dépourvues de ce mécanisme de chronométrage interne, fonctionnant plutôt sur une base purement réactive.

Une équipe de chercheurs vient de découvrir que cette supposition est incorrecte. Ils ont découvert qu'Escherichia coli, une bactérie commune souvent présente dans l'intestin humain, possède une capacité intrinsèque à donner l'heure. Cette bactérie ne se contente pas de réagir à son environnement ; elle peut apprendre un rythme quotidien et continuer à le suivre même lorsque les indices externes sont supprimés. L'étude révèle que ces bactéries utilisent un système de signalisation interne spécifique pour suivre le passage du temps, ce qui leur permet de se préparer aux changements de température quotidiens avant qu'ils ne surviennent. Cette découverte suggère que la capacité d'anticiper l'avenir est bien plus répandue dans le monde microbien qu'on ne l'imaginait auparavant, remettant en question la vision de longue date selon laquelle la gestion du temps est un trait réservé aux formes de vie plus complexes.

Les chercheurs ont commencé leur investigation en observant comment l'E. coli se comporte dans un environnement contrôlé. Ils ont cultivé les bactéries en colonies circulaires fines sur un gel spécial contenant un colorant rouge. Ce colorant se lie à une substance collante appelée curli, que les bactéries produisent pour les aider à adhérer aux surfaces et à former des communautés protectrices connues sous le nom de biofilms. Les scientifiques savaient que la production de curli est sensible à la température, ils ont donc placé les colonies bactériennes dans un incubateur qui oscillait entre deux températures : une plus fraîche de 25,5 degrés Celsius et une légèrement plus chaude de 28,5 degrés Celsius. Ils changeaient la température toutes les douze heures, imitant un cycle jour-nuit.

À mesure que les bactéries se développaient vers l'extérieur depuis le centre de la plaque, elles laissaient derrière elles un enregistrement visible de leur activité. Lorsque les bactéries produisaient le curli, le colorant rouge tachait la zone, créant un anneau sombre. Lorsqu'elles arrêtaient de le produire, l'anneau restait clair. Si les bactéries réagissaient simplement à la température, les anneaux sombres apparaîtraient exactement au moment où la température changeait. Cependant, les chercheurs ont observé quelque chose de différent. Au fil des jours, les bactéries ont commencé à modifier leur comportement. Elles ont commencé à produire la substance collante curli environ six heures avant que la température ne soit censée augmenter. Ce passage de la réaction à l'anticipation est la marque d'une véritable horloge biologique. Les bactéries avaient synchronisé leur rythme interne avec le cycle de température externe, apprenant ainsi l'emploi du temps de manière effective.

Pour prouver que ce rythme était interne et non une simple réaction continue à l'environnement, les scientifiques ont réalisé un test crucial. Après trois jours de cycles de température, ils ont laissé les bactéries dans une température constante et inchangée. Si les bactéries réagissaient simplement à la chaleur, le motif des anneaux aurait dû s'arrêter immédiatement. Au lieu de cela, les bactéries ont continué à produire la substance collante selon un motif rythmique pendant au moins trois jours de plus. Elles ont maintenu un rythme régulier d'environ vingt-quatre heures, même si le monde extérieur était devenu silencieux. Ce phénomène, connu sous le nom de rythme libre (free-running rhythm), a confirmé que les bactéries fonctionnaient grâce à un minuteur interne qui avait été réglé par les changements de température précédents.

L'équipe a ensuite étudié comment les bactéries parviennent à coordonner deux comportements opposés : l'adhérence à une surface et le mouvement. Les bactéries utilisent des queues en forme de fouet appelées flagelles pour nager vers des conditions favorables, mais elles doivent arrêter de nager et construire une surface collante pour former une communauté stable. Ces deux activités sont mutuellement exclusives ; une bactérie ne peut pas faire les deux à la fois. Les chercheurs ont découvert que les bactéries séparaient ces tâches dans le temps. Lorsqu'elles étaient les plus actives dans la production du curli collant pour l'adhérence, les gènes responsables de la construction des flagelles de nage étaient silencieux. Inversement, lorsqu'elles se préparaient à nager, la production de la substance collante s'arrêtait. Cette séparation garantissait que les bactéries ne gaspillaient pas d'énergie à essayer d'accomplir des tâches conflictuelles simultanément, une stratégie similaire à celle des humains qui dorment la nuit et sont actifs pendant la journée.

Pour comprendre la machinerie derrière cette horloge, les chercheurs se sont tournés vers la génétique. Ils ont examiné un système de communication spécifique à l'intérieur des bactéries appelé la phosphorelay Rcs. Ce système agit comme une course de relais, transmettant un signal chimique du bord extérieur de la cellule au centre de contrôle interne pour dire aux bactéries quoi faire. En créant des bactéries avec des parties brisées de ce système, les scientifiques ont découvert que la voie Rcs était essentielle au fonctionnement de l'horloge. Sans un composant spécifique de ce relais, les bactéries pouvaient toujours détecter les changements de température, mais elles perdaient la capacité de maintenir le rythme une fois la température constante. Cela indiquait que le mécanisme de chronométrage lui-même se situait au sein de cette voie de signalisation.

L'étude a également exploré comment les bactéries recevaient le signal initial pour régler leurs horloges. Ils ont identifié un système distinct appelé BluFR, qui sert de capteur à la fois pour la lumière bleue et les basses températures. Ce capteur transmet les informations dans la voie Rcs. Les chercheurs ont découvert que le système BluFR suivait les changements environnementaux mais ne maintenait pas le rythme par lui-même. Au lieu de cela, il agissait comme l'entrée qui synchronisait l'horloge interne Rcs. Dans une démonstration frappante, les scientifiques ont montré qu'ils pouvaient réinitialiser l'horloge des bactéries en utilisant uniquement la lumière. En exposant les bactéries à des cycles de lumière bleue et d'obscurité, ils pouvaient induire les mêmes motifs de production de substance collante, prouvant que les bactéries pouvaient utiliser la lumière comme indice temporel tout comme elles utilisaient la température.

Enfin, les chercheurs ont comparé la structure du système de chronométrage bactérien aux horloges bien connues des bactéries photosynthétiques, qui sont les seules autres bactéries connues pour posséder une horloge moléculaire définie. Malgré l'absence d'histoire génétique commune, les protéines du système de chronométrage d'E. coli présentaient des similitudes remarquables avec les protéines de l'horloge photosynthétique dans leur forme tridimensionnelle. Les deux systèmes utilisent une série d'interrupteurs chimiques et de domaines structurels pour traiter l'information et générer un rythme. Cela suggère que la nature peut arriver à la même solution pour donner l'heure de différentes manières, en utilisant des principes architecturaux similaires pour résoudre le problème de l'anticipation des cycles quotidiens.

Cette découverte transforme notre compréhension de la vie bactérienne. Elle montre que même un organisme simple comme l'E. coli peut apprendre un emploi du temps, s'en souvenir et agir en conséquence à l'avance. La capacité d'anticiper les changements environnementaux offre probablement un avantage de survie, permettant aux bactéries de se préparer aux défis de la journée avant qu'ils n'arrivent. En identifiant les gènes et les protéines spécifiques responsables de ce chronométrage, les chercheurs ont ouvert une nouvelle porte pour comprendre comment les bactéries coordonnent leur comportement. Ces connaissances pourraient éventuellement aider les scientifiques à prédire comment les bactéries répondent à leurs environnements, menant potentiellement à de nouvelles façons de gérer la croissance bactérienne dans la médecine et l'industrie. L'étude confirme que la capacité de donner l'heure est un trait fondamental et répandu dans le monde vivant, s'étendant bien au-delà des organismes complexes que nous voyons chaque jour.