Généralement, les bactéries sont des organismes considérés comme simples, minuscules et ne pouvant être vues qu’au microscope. La plupart des espèces bactériennes mesurent environ 2 micromètres de long. Ces sont des organismes procaryotes, c’est-à-dire qu’elles ne possèdent pas de noyau et leur ADN se trouve libre dans le cytoplasme de la cellule.
La plupart de bactéries sont des organismes unicellulaires (formées d’une seule cellule entourée d’une membrane) mais il existe aussi des bactéries pluricellulaires composées d'au moins deux cellules formant souvent des filaments.
Certaines bactéries, sont toutefois remarquablement grandes : on les appelle « bactéries géantes ». Elles sont visibles à l’œil nu et ont des tailles cellulaires de l'ordre de dizaines, voire de centaines de micromètres.
C'est au sein de cette dernière famille que nous venons de découvrir une nouvelle espèce spectaculaire dans les sédiments marins des mangroves en Guadeloupe : une bactérie géante unicellulaire d'un centimètre de long, qui peut s’attraper avec une pince à épiler ! Elle est 5000 fois plus grande qu’une bactérie standard et 20 fois plus large que les autres bactéries géantes identifiées auparavant.
De plus, elle possède une structure relativement complexe pour une bactérie. Parmi ces caractéristiques particulières, son ADN est compartimenté dans des petites vésicules, défiant ainsi le concept même de cellule bactérienne.
Une bactérie plus grande qu'une mouche
Les bactéries du genre Thiomargarita sont considérées comme les plus grandes bactéries connues dans la nature.
La première espèce de ce genre de bactéries géantes visible à l'oeil nu a été identifiée en 1999 dans les eaux de Namibie. Ces bactéries, appelées Thiomargarita namibiensis, ont une morphologie sphérique d'un diamètre moyen compris entre 100 et 300 µm et allant jusqu'à 750 µm. Ces cellules sont entourées d'un mucus formant des chaînes linéaires. De nombreux granules de soufre contenus dans les cellules réfractent la lumière, les faisant apparaître ainsi comme un collier de perles blanc à la surface des sédiments (d'où son nom Thiomargarita signifiant perle de soufre).
D'autres bactéries géantes ont ensuite été identifiées, dont certaines composées de centaines de cellules formant des filaments pluricellulaires de plusieurs centimètres de long.
A la différence des bactéries géantes découvertes par le passé, cette nouvelle espèce de bactérie découverte en mangrove, que nous avons nommée Thiomargarita magnifica en raison de sa grande taille (pour magnus : « grand »), est une seule et unique cellule allongée, d’une longueur moyenne d'un centimètre, faisant d'elle la plus grande bactérie unicellulaire jamais identifiée à ce jour.
Cette bactérie géante se trouve attachée sur des feuilles de palétuvier immergées et en décomposition sur la surface de sédiments de mangroves. Il s'agit d'une bactérie peu abondante donc pouvant passées inaperçues.
Photographie de nombreuses Thiomargarita magnifica attachées à une feuille de palétuvier en décomposition prise à la loupe binoculaire. Chaque filament blanc est une bactérie. Silvina Gonzalez-Rizzo, Fourni par l'auteur
Elle a une morphologie filiforme caractérisée par une forme allongée ressemblant à une « tige » sur la majeure partie de sa longueur, suivie d'un rétrécissement progressif vers l'extrémité apicale (son sommet) formant des bourgeons. Seules les parties les plus apicales se ferment complètement pour former de cellules distinctes en forme de bâtonnets, en nombre variable (entre 1 à 4 cellules) selon la taille du filament. La longueur de filaments est comprise entre 5 et 17 mm, pouvant atteindre jusqu’à 20 mm (2 cm) pour les filaments les plus longs.
Reconstruction 3D par rayons X de Thiomargarita magnifica montrant sa morphologie. J.M. Volland, Fourni par l'auteur
De plus, des observations à la loupe binoculaire ont montré que les cellules en forme de bâtonnets (situées dans la partie apicale du filament) peuvent se détacher et être libérées dans l'eau, suggérant que ces bactéries se multiplient par bourgeonnement. Ce cycle de vie asymétrique est très similaire au cycle de vie bien décrit chez la bactérie modèle aquatique Caulobacter crescentus.
Des études approfondies seront nécessaires pour mieux comprendre les mécanismes moléculaires de ce mode de division encore méconnus chez les bactéries géantes de ce type.
Un « macro »-microbe très complexe
Au-delà de sa taille, des analyses plus poussées en génomique et biologie cellulaire ont montré que cette bactérie a des caractéristiques hors du commun. Tout d’abord, elle possède environ 12 000 gènes, soit 3 fois plus qu’une bactérie standard. La taille de son génome est équivalent à la taille du génome de la levure, et contient plus de gènes que certains champignons.
Elle a également un grand nombre de copies de son génome. Là où une bactérie classique se limite à quelques copies, Thiomargarita magnifica peut contenir jusqu’à 700 000 copies par cellule, soit plus d’ADN qu’une cellule humaine ! Cette polyploïdie, qui fait référence au nombre de copies du génome, peut expliquer la croissance cellulaire globale de cette bactérie et le besoin local de la machinerie moléculaire. Cependant, la compréhension des mécanismes de régulation d'un si grand nombre de copies du génome reste encore à élucider.
De plus, nous avons observé que l’ADN et les ribosomes (la machinerie cellulaire) sont renfermés dans des petites vésicules (ou petits paquets entourés de membranes), baptisés « pépins » en raison de leur ressemblance avec les petites graines des fruits, alors que dans la plupart des bactéries, l’ADN flotte librement dans le cytoplasme.
L'ensemble de ces caractéristiques exceptionnelles qui ont été décrite pour la première fois chez une bactérie montre le degré de complexité qui peut avoir une cellule bactérienne considérées souvent comme «simple».
« Ne pas se diviser pour mieux régner »
Au cours des trois dernières décennies, d’énormes progrès ont été accomplis dans la compréhension de la division cellulaire de bactéries. Ces recherches se sont fortement appuyées sur des organismes modèles, tels que Escherichia coli, Bacillus subtilis et Caulobacter crescentus, en raison de l'abondance des outils génétiques disponibles pour ces organismes.
En revanche, les études de biologie cellulaire des bactéries non cultivables se développant en milieux extrêmes sont encore rares.
Ainsi, l'analyse du génome de cinq cellules uniques de T. magnifica a permis d’observer l’absence de nombreux gènes liés à la division cellulaire et la présence de nombreux gènes codant pour des protéines d'élongation cellulaire.
Il est ainsi possible qu'un nombre accru de gènes d'élongation cellulaire, associé à l'absence de gènes clés de division cellulaire, soit responsable de la production des filaments exceptionnellement longs de cette bactérie.
Comprendre comment et quand les cellules décident de se diviser et comment ces processus fondamentaux ont été conservés, ou « réinventés », au cours de l'évolution sont des questions d’intérêt fondamental pour la recherche.
La découverte de cette nouvelle bactérie met en relief l’incroyable diversité du monde microbien, et leurs adaptations potentielles permettant de coloniser de nouveaux environnements. Thiomargarita magnifica est ainsi la première bactérie permettant de rendre les choses invisibles… visibles et ainsi dépasser les idées préconçues pour mieux comprendre les mécanismes évolutifs du vivant.
Silvina Gonzalez-Rizzo, biologiste moléculaire, écologie microbienne, Université des Antilles
Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.
Voir l'article dans la revue Science
- Volland, J.-M., Gonzalez-Rizzo, S. (CE), Gros, O. et al. (2022). A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles. Science, 376(6600), 1453‑1458. https://doi.org/10.1126/science.abb3634
