Two actinobacterial G protein systems control multicellular mycelial growth and morphology in Streptomyces venezuelae

Les bactéries sont souvent imaginées comme des errantes solitaires, des cellules uniques dérivant dans leur environnement et se divisant de manière autonome. Pourtant, de nombreuses bactéries vivent en tant que vastes communautés coopératives, formant des réseaux complexes qui ressemblent aux racines d'une plante ou aux fils d'une toile d'araignée. Parmi elles figurent les streptomycètes, un groupe de bactéries vivant dans le sol qui croissent sous forme de longs filaments ramifiés appelés hyphes. Ces filaments s'entrelacent pour créer un mycélium multicellulaire, un maillage vivant qui explore le sol à la recherche de nutriments. Pour que ce réseau fonctionne, les filaments individuels doivent coordonner leur croissance. Ils doivent savoir où s'étendre, quand se ramifier et, surtout, comment éviter de se heurter les uns aux autres d'une manière qui créerait un fouillis emmêlé et inefficace. Cette coordination nécessite un système de communication interne sophistiqué, un moyen pour les cellules de percevoir leurs voisines et d'ajuster leur forme et leur direction en conséquence.

Dans le sol, où la nourriture est souvent rare et inégalement répartie, la capacité d'organiser efficacement un réseau multicellulaire est une question de survie. Si les filaments croissent de manière désordonnée, ils pourraient se gêner mutuellement, gaspillant ainsi l'énergie et échouant à couvrir le sol efficacement. Les scientifiques savent depuis longtemps que les bactéries utilisent des signaux chimiques pour communiquer entre elles, mais les mécanismes spécifiques qui permettent à un réseau de filaments de maintenir une structure propre et organisée tout en croissant sur une surface sont restés un mystère. Des recherches récentes se sont tournées vers un ensemble unique d'outils génétiques présents dans ces bactéries, connus sous le nom de systèmes de protéines G. Ce sont des machines moléculaires qui agissent comme des interrupteurs, activant ou désactivant les gènes en réponse à l'environnement. Dans la bactérie spécifique Streptomyces venezuelae, il existe huit versions différentes de ces systèmes, mais jusqu'à présent, personne ne savait exactement ce que la plupart d'entre elles faisaient ni comment elles aidaient les bactéries à construire leurs habitations multicellulaires complexes.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Lund, en Suède, s'est donné pour mission de résoudre cette énigme en supprimant systématiquement chacun de ces huit systèmes génétiques, un par un, pour voir ce qui arriverait aux bactéries. Ils ont cultivé les bactéries modifiées sur différents types de nourriture, allant de gels riches et denses en nutriments à des surfaces minimales très pauvres qui imitent les conditions rudes du sol. Ils ont découvert que deux de ces systèmes, travaillant ensemble, agissent comme les architectes du réseau bactérien. Lorsque les chercheurs ont supprimé ces deux systèmes spécifiques, les bactéries ont perdu leur capacité à s'organiser. Au lieu de se propager en une couche nette et uniforme où chaque filament possède son propre espace, les bactéries mutantes ont commencé à s'agglutiner. Leurs filaments collaient les uns aux autres, formant des faisceaux épais et cordés qui ressemblaient à une pelote de laine emmêlée plutôt qu'à une toile délicate.

Ce comportement d'agglutination n'était pas seulement une question de bactéries collant ensemble par accident. Les chercheurs ont observé que les filaments mutants croissaient en lignes droites et rigides, alors que les bactéries de type sauvage croissaient en courbes douces et sinueuses. Les bactéries de type sauvage semblaient activement éviter leurs voisines, croissant dans les espaces vides entre les autres filaments pour couvrir la surface uniformément. Cet « auto-évitement » leur permettait d'explorer la nourriture disponible plus efficacement. Les mutants, dépourvus des deux systèmes génétiques clés, perdaient cette capacité. Ils croissaient de manière droite et restaient collés à tout ce qui se trouvait à proximité, y compris d'autres filaments mutants et même les filaments de type sauvage avec lesquels ils étaient cultivés. Les chercheurs ont testé si les bactéries libéraient des substances chimiques invisibles dans l'air ou l'eau qui causaient cet aspect collant, mais ils n'ont trouvé aucune preuve de tels signaux. Au lieu de cela, le problème semblait être intrinsèque aux cellules mutantes elles-mêmes ; leurs surfaces avaient changé, les rendant collantes et sujettes à l'agglutination.

En examinant les gènes actifs dans les bactéries mutantes, les scientifiques ont découvert pourquoi cela se produisait. Les mutants avaient augmenté le volume d'un large groupe de gènes responsables de la construction de la paroi cellulaire et de la production de revêtements sucrés à l'extérieur de la cellule. Cette surproduction de matériaux de surface rendait probablement les filaments collants, provoquant leur adhérence les uns aux autres. Cependant, l'histoire ne s'arrêtait pas là avec l'agglutination microscopique. Les chercheurs ont également remarqué que les mutants se comportaient différemment à une échelle plus grande. Tandis que les bactéries de type sauvage se répandaient en un film mince et dégarni à travers la surface de la boîte — un comportement connu sous le nom de croissance exploratoire — les mutants échouaient à le faire. Au lieu de cela, ils formaient des colonies denses et duveteuses qui semblaient vouloir croître vers le haut dans l'air, même lorsque les conditions n'étaient pas appropriées pour une telle croissance.

Pour comprendre pourquoi les mutants échouaient à explorer, les chercheurs ont cherché des bactéries qui avaient spontanément résolu le problème. Ils ont trouvé que certaines bactéries mutantes avaient acquis de nouvelles mutations qui leur permettaient de se propager à nouveau, presque comme le type sauvage. En analysant l'ADN de ces bactéries « suppresseuses », ils ont découvert que la correction impliquait souvent des changements dans un autre ensemble de gènes contrôlant un signal chimique connu sous le nom de cGMP (cyclic-di-GMP). Ce signal est un régulateur maître qui indique aux bactéries quand arrêter de croître et commencer à former des spores. Les chercheurs ont conclu que les mutants originaux croissaient trop vite et mûrissaient trop tôt. Parce qu'elles se précipitaient pour former des spores, elles ne prenaient jamais le temps de se propager et d'explorer correctement la surface. Les deux systèmes génétiques qu'ils avaient supprimés agissaient comme un frein, maintenant les bactéries dans un état de croissance végétative assez longtemps pour construire un réseau adéquat.

L'étude a révélé que ces deux systèmes génétiques ont deux tâches distinctes qui sont étonnamment séparées. Un rôle consiste à contrôler la forme physique des filaments et à empêcher qu'ils ne collent entre eux, garantissant que le réseau reste ouvert et organisé. L'autre consiste à empêcher les bactéries de mûrir trop rapidement, leur permettant d'explorer pleinement leur environnement. Les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient corriger le problème d'exploration en modifiant les signaux de maturation, mais que cela ne corrigeait pas le problème d'agglutination. Les filaments continuaient de coller entre eux même lorsque les bactéries étaient autorisées à croître plus longtemps. Cela signifie que la façon dont les bactéries construisent leur forme et la façon dont elles décident de croître ou de mûrir sont contrôlées par des voies différentes, bien que toutes deux soient gérées par la même paire de systèmes génétiques.

Ce travail offre une image claire de la manière dont une simple bactérie gère la tâche complexe de vivre en tant que communauté multicellulaire. Il montre que les bactéries ne croissent pas de manière aléatoire ; elles utilisent des outils génétiques spécifiques pour percevoir leur environnement, ajuster leur forme et se coordonner avec leurs voisines. Sans ces outils, le réseau s'effondre en un amas emmêlé et la colonie échoue à explorer ses environs. Les conclusions suggèrent que la capacité à maintenir une structure propre et organisée est tout aussi importante pour la survie des bactéries que la capacité à trouver de la nourriture. En comprenant ces mécanismes, les scientifiques peuvent commencer à voir comment ces organismes anciens ont évolué pour prospérer dans le monde complexe et compétitif du sol, construisant des cités de filaments complexes qui sont bien plus organisées que ce que l'on imaginait auparavant.