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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