L'évolution expérimentale sur le long terme découple la taille et les coûts de production chez Escherichia coli

Escherichia coli. Crédit Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH.

Accrochez-vous un peu, le monde microbien, et celui de Escherichia coli en particulier est fascinant avec cette série d’expériences sur son évolution ...

«Une expérience d'évolution avec des bactéries remet en question la sagesse conventionnelle sur la taille et le coût de production», source phys.org.

En 1988, un biologiste de la Michigan State University, Richard Lenski, a déposé 12 flacons de E. coli et son groupe a maintenu et suivi leur évolution depuis. Périodiquement, des sous-échantillons sont congelés, permettant aux scientifiques de comparer les bactéries à différents moments en les ramenant à la vie.

Au fil du temps, les E. coli en évolution ont grossi; après 60 000 générations, les cellules font environ deux fois la taille de leurs ancêtres. Mais cette augmentation de taille s'est-elle accompagnée de changements que nous attendons dans le métabolisme, la taille et les taux de croissance de la population ?

Des chercheurs du Monash University Center for Geometric Biology ont collaboré avec Richard Lenski pour le découvrir. Les résultats sont publiés dans Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Le métabolisme dicte la vitesse à laquelle les organismes transforment l'énergie en entretien et en production.

Alors que les espèces plus grandes ont des taux métaboliques plus élevés, elles sont en fait plus efficaces et ont donc des taux métaboliques plus faibles par rapport à leur taille. Ainsi, alors que les espèces plus petites ont des densités de population plus élevées et peuvent atteindre ces densités plus rapidement, la masse totale de la population est plus élevée chez les espèces plus grandes (pensez aux souris et aux éléphants).

Mais est-ce que ce qui précède est vrai au sein d'une espèce?

Souvent, la série de tailles au sein d'une espèce n'est pas particulièrement large, ce qui rend les inférences sur la taille difficiles à tester.

Les bien nommées «Lignes de Lenski» contournent ce problème. Le laboratoire de Richard a envoyé des échantillons congelés de l'original E. coli, les ancêtres, ainsi que des échantillons de 10 000 et 60 000 générations d'évolution.

Les chefs de projet de l'École des sciences biologiques de l'Université Monash, le professeur Dustin Marshall et le Dr Mike McDonald, ont entrepris de faire revivre les cellules et de mesurer la taille des cellules, le métabolisme, la taille de la population et la croissance de la population.

«Nous avons constaté qu'à mesure que les cellules grossissaient au cours de l'évolution, les taux métaboliques augmentaient mais étaient inférieurs par rapport à leur taille, comme le prévoyait la théorie», a déclaré le professeur Marshall.

«Également prévu par la théorie, les populations de cellules plus grandes avaient des densités de population plus faibles mais une biomasse plus élevée que leurs ancêtres plus petits», a-t-il déclaré.

«La grande surprise et à l'opposé de la théorie, c'est que les populations de cellules plus grandes, malgré leur métabolisme relativement plus faible, ont augmenté plus rapidement que les cellules plus petites.»

Le Dr McDonald a déclaré qu'il était souvent supposé que l'énergie nécessaire pour produire un nouvel individu était directement proportionnelle à sa masse, mais cette expérience a montré que ce n'est pas nécessairement le cas.

«Pourquoi alors, une cellule plus grande serait-elle moins chère à construire et à entretenir ?»

Les cellules de E. coli consomment beaucoup d'énergie pour maintenir les gradients ioniques à travers les membranes cellulaires. Comme les cellules plus grandes ont des surfaces plus petites par rapport à la masse, elles devraient également avoir des coûts de maintenance inférieurs à ceux des cellules plus petites. Les cellules évoluées ont également des génomes légèrement plus petits que les cellules ancestrales plus petites, de sorte que les coûts de réplication du génome sont inférieurs pour les cellules plus grandes.

De plus, les cellules évoluées ont affiné leurs composants génétiques dans cet environnement hautement prévisible, réduisant ainsi l'expression coûteuse de transcrits et de protéines inutiles.

«Remarquablement, il semble que l'évolution puisse dissocier les coûts de production de la taille; il n'y a aucun inconvénient à augmenter les taux de croissance des cellules évoluées plus grandes en termes de rendement», a déclaré le Dr McDonald.

Référence. Dustin J. Marshall et al, Long-term experimental evolution decouples size and production costs in Escherichia coli, PNAS (2022). DOI: 10.1073/pnas.2200713119

Importance

Les populations d'organismes plus grands devraient être plus efficaces dans leur utilisation des ressources, mais croître plus lentement, que les populations d'organismes plus petits. Les relations entre la taille, le métabolisme et la démographie forment le fondement de la théorie métabolique, mais la plupart des tests empiriques ont été corrélatifs et indirects. Des lignées expérimentales de Escherichia coli qui ont évolué pour produire des cellules plus grandes offrent une occasion unique de tester comment la taille, le métabolisme et la démographie covarient. Bien que les grandes cellules aient un métabolisme relativement plus lent, elles se développent plus rapidement que les petites cellules. Elles obtiennent cet avantage d’un taux de croissance en réduisant les coûts relatifs de production de leurs plus grandes cellules. Cette évolution peut dissocier les coûts de production de la taille remet en question une hypothèse fondamentale sur les liens entre la physiologie et l'écologie.

Résumé

La taille corporelle covarie avec la dynamique des populations dans les domaines de la vie. Le métabolisme peut imposer des contraintes fondamentales sur la coévolution de la taille et de la démographie, mais les tests expérimentaux des liens de causalité restent insaisissables. Nous tirons parti d'une expérience de 60 000 générations dans laquelle des populations de Escherichia coli ont développé des cellules plus grandes pour examiner la mise à l'échelle métabolique intraspécifique et les corrélations avec les paramètres démographiques. Au cours de leur évolution, les cellules ont à peu près doublé de taille par rapport à leurs ancêtres. Ces cellules plus grosses ont des taux métaboliques absolument plus élevés, mais par rapport à leur taille, ils sont plus faibles. La théorie métabolique a prédit avec succès les relations entre la taille, le métabolisme et la densité de population maximale, y compris le soutien de la loi d'équivalence énergétique de Damuth, de sorte que les populations de cellules plus grandes atteignaient des densités maximales inférieures mais des biomasses maximales plus élevées que les populations de cellules plus petites. La mise à l'échelle du métabolisme avec la taille des cellules prédit ainsi la mise à l'échelle de la taille avec une densité de population maximale. Contrairement à la théorie standard, cependant, les populations de cellules plus grandes ont augmenté plus rapidement que celles de cellules plus petites, contredisant l'hypothèse fondamentale et intuitive selon laquelle les coûts de construction de nouveaux individus devraient évoluer directement avec leur taille. La découverte que les coûts de production peuvent être découplés de la taille nécessite une réévaluation des facteurs évolutifs et des conséquences écologiques de la taille biologique plus généralement.

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