La Cellule Qui n'existait Pas

Kyoko Hagino est une algologue originaire de Kochi, au Japon. Tout comme Jon Zehr, son parcours a débuté à la fin des années 1990, avec un micro-organisme qui a bouleversé sa carrière. Elle faisait partie d'une équipe de recherche en paléontologie, étudiant de minuscules fossiles d'algues au fond des océans afin de reconstituer le climat passé de la Terre.

Parmi les innombrables fossiles microscopiques qu'elle a examinés, il y en avait un qui la fascinait particulièrement. Il s'agissait d'une algue appelée Braarudosphaera bigelowii . Hagino l'appelle affectueusement Bigelowii.

À certains moments de sa vie, Bigelowii se dote d'une magnifique coquille géométrique, et Hagino retrouvait ces squelettes pentagonaux dans tous ses échantillons. « Quand j'ai aperçu Bigelowii pour la première fois, j'ai été frappée par la beauté de sa forme », a-t-elle déclaré. « Elle a une forme magnifique, comme un joyau. »

Mais personne ne savait vraiment rien des algues qui y vivaient. C'était ce qu'Hagino voulait étudier. Mais personne d'autre ne semblait partager sa fascination.

« Au début de mes recherches, mon supérieur de l’époque s’y est opposé », a-t-elle déclaré. « On m’a dit : “Même si vous faites des recherches que personne ne lit, cela ne vous permettra pas de trouver un emploi.” »

À l'époque, Hagino peinait à trouver un poste à l'université. Parallèlement, elle s'occupait de ses jeunes enfants et déménageait dans une nouvelle ville où son mari avait trouvé du travail. Tout semblait l'inciter à abandonner ses études et à se reconvertir. Mais Hagino en était incapable. Pour une raison inconnue, cette algue la fascinait profondément, et elle voulait tout apprendre à son sujet, quitte à l'étudier seule.

Hagino et sa fille ont donc commencé à se rendre régulièrement à la plage pour prélever des échantillons d'eau de mer, dans l'espoir de trouver cette algue insaisissable. Au fil des ans, elles ont effectué des centaines de ces excursions. Elles y allaient si souvent que sa fille ignorait totalement que les gens allaient à la plage pour d'autres raisons, comme se baigner.

« L’océan, n’est-ce pas l’endroit où l’on recueille l’eau de mer ? », a rapporté Hagino, citant sa fille.

Hagino passait ensuite des heures chez elle avec son microscope, à la recherche de cellules de Bigelowii, qu'elle sélectionnait une à une. C'était un travail incroyablement long, mais c'était pratiquement la seule façon de les étudier. Malgré tous ses efforts, les cellules semblaient refuser de se développer en éprouvette.

Pendant des années, Hagino a travaillé à développer une culture sans aucun salaire universitaire. Pour joindre les deux bouts, elle a fini par accepter un emploi à temps partiel, lavant des tubes à essai dans un laboratoire. Un jour, elle discutait avec un des scientifiques qui lui a suggéré d'ajouter un ingrédient inhabituel à sa culture. Il ne s'agissait pas d'un produit chimique ni de quoi que ce soit d'autre que l'on trouve habituellement en laboratoire : c'était du tokoroten, une sorte de nouilles gélatineuses japonaises traditionnelles à base d'algues.

À la grande surprise d'Hagino, les nouilles étaient exactement ce dont Bigelowii avait besoin.

« J’ai vu des bigelowii nager et leur nombre augmenter », a-t-elle déclaré. « J’étais extrêmement heureuse. »

Maintenant qu'elle avait une culture, elle pouvait enfin faire pousser suffisamment de cellules pour répondre à certaines des grandes questions concernant cet organisme. Et une question majeure préoccupait Hagino. Au cours de ses nombreuses années d'étude de Bigelowii, elle avait remarqué quelque chose d'étrange. L'algue possédait tous les composants normaux d'une cellule. Mais elle présentait aussi quelque chose d'inexplicable, quelque chose qu'elle n'avait jamais vu dans aucun manuel : un point noir au centre.

Hagino s'apprêtait à publier un article sur ce point mystérieux lorsqu'elle est tombée sur un article qui venait de paraître dans la revue américaine Science. Celui-ci décrivait la recherche d'une bactérie fixatrice d'azote apparemment invisible, dont l'auteur supposait qu'elle vivait probablement à l'intérieur d'une espèce d'algue. L'auteur de l'article était Jon Zehr, et il parlait de Braarudosphaera bigelowii .

Hagino réfléchit à l'étrange objet qu'elle avait découvert à l'intérieur de Bigelowii. Tout s'emboîtait parfaitement. Elle effectua un test génétique sur Bigelowii, et le résultat fut positif : elle avait trouvé la bactérie fixatrice d'azote que Zehr avait cherchée pendant tant d'années.

« Je n’aurais jamais imaginé que quelqu’un fasse des recherches sur Bigelowii », a-t-elle déclaré. « J’étais choquée de penser que j’avais été surpassée. »

Zehr fut également surpris lorsque Hagino le contacta pour lui faire part de sa découverte : le même puzzle, réalisé à distance, depuis un océan. « Aucun de nous deux ne savait que les deux étaient liés ! » s’exclama-t-il.

Hagino et Zehr avaient tous deux consacré leur carrière à résoudre une énigme scientifique, ignorant qu'ils détenaient chacun la pièce manquante de l'autre. Désormais dotés d'une culture commune, ils avaient l'opportunité de percer un mystère qui s'avérerait bien plus profond qu'ils ne l'avaient jamais imaginé.

Ensemble, ils révéleraient un niveau de coopération qui bouleverserait une règle fondamentale de la biologie.

La nature regorge de relations symbiotiques : deux organismes qui s'entraident. Le poisson-clown du film « Le Monde de Nemo » en est un bon exemple : il prend soin de son anémone de mer partenaire en échange d'un abri sûr. Mais ces relations d'entraide peuvent devenir de plus en plus étroites. Certains organismes vivent à l'intérieur d'autres organismes, comme les coraux , qui se nourrissent d'algues zooxanthelles vivant en eux. On trouve même des cellules incluses dans d'autres cellules. À un certain stade, la relation devient si étroite qu'il devient difficile de distinguer où commence un organisme et où commence l'autre.

L'idée que deux organismes puissent converger – passer d'entités distinctes à un seul et même être – est absolument fascinante, et ce phénomène n'a été observé que très rarement dans l'histoire de la vie sur Terre. Deux exemples célèbres en sont les mitochondries, véritables centrales énergétiques de la cellule présentes dans toutes les formes de vie complexes sur Terre, et les chloroplastes, ces organites des cellules végétales qui, grâce à la photosynthèse, transforment la lumière du soleil et le dioxyde de carbone en nourriture. Ces deux organismes ont débuté comme des cellules indépendantes qui, au fil du temps, se sont tellement rapprochées l'une de l'autre qu'elles sont devenues des organites : de minuscules organes à l'intérieur d'autres cellules.

Mais qu'en est-il de Bigelowii et de ses bactéries internes ? Il ne faisait aucun doute que les deux étaient étroitement liées. Zehr et Hagino étaient impatients de découvrir précisément comment elles interagissaient. Ils ont donc fait équipe. Elle a envoyé une culture au laboratoire de John, espérant pouvoir se rendre en Californie au fur et à mesure de l'avancement de l'expérience.

Lorsque la culture est arrivée au bureau de Zehr, il était tellement enthousiaste qu'il a pris une photo pour immortaliser l'instant. Son équipe a débattu des expériences qu'ils allaient mener en premier.

« Nous nous sommes réunis comme dans un laboratoire et nous avons décidé des dix premières choses que nous allions faire, car nous ne savions pas combien de temps la culture survivrait », a-t-il déclaré. « Et trois jours plus tard, le confinement lié à la Covid a commencé. »

La pandémie a bouleversé tous leurs projets. Le Japon a imposé des restrictions de voyage très strictes qui sont restées en vigueur pendant des années. Malgré tous ses efforts, Hagino n'a pas pu rejoindre Zehr en personne. Mais toutes deux étaient toujours avides de réponses et ont décidé que le laboratoire de Zehr devait poursuivre les tests. Hagino, qui bénéficiait d'un financement grâce à une subvention partagée avec Zehr, apporterait toute l'aide possible à distance.

Très vite, ils ont découvert des indices montrant que la relation entre les algues et les bactéries n'était pas une symbiose classique. Bigelowii et les bactéries se divisaient toujours simultanément. Leur croissance était également identique, et leur fonctionnement ressemblait étrangement à celui des mitochondries ou des chloroplastes.

Mais l'élément de preuve le plus convaincant est venu de Tyler Coale, postdoctorant au laboratoire de Zehr. Il étudiait les protéines présentes dans les deux organismes lorsqu'il a remarqué quelque chose d'étrange : les bactéries étaient remplies de protéines qu'elles ne possédaient pas les gènes nécessaires à leur synthèse. Ces protéines étaient en réalité produites à partir de gènes supplémentaires présents chez Bigelowii. Et à l'extrémité de chacun de ces gènes supplémentaires, on retrouvait la même courte séquence d'ADN qui se répétait sans cesse.

Ce schéma rappela à Coale une énigme antérieure : des bactéries fixatrices d’azote avaient perdu une grande partie des gènes codant pour les protéines essentielles à leur survie. Bigelowii pouvait-il les leur fournir ? Pour le vérifier, il mena une expérience, en alignant les gènes manquants d’un organisme avec les gènes supplémentaires de l’autre. La correspondance était frappante. Pour presque chaque gène perdu par les bactéries, Bigelowii avait développé une copie supplémentaire. Et chacun de ces gènes supplémentaires portait à son extrémité la même séquence d’ADN — des instructions moléculaires pour acheminer la protéine jusqu’aux bactéries.

Cette découverte était capitale car ce type de système n'avait été observé qu'à de rares occasions, dans les mitochondries et les chloroplastes, et maintenant, dans le minuscule point que Zehr et Hagino avaient découvert à l'intérieur de Bigelowii. Les bactéries fixatrices d'azote n'étaient plus des bactéries à proprement parler. Elles étaient devenues une composante de Bigelowii, un micro-organisme indépendant transformé en organite.

Zehr et son équipe ont décidé de l'appeler Nitroplast.

Cela signifiait également que Bigelowii avait enfreint la règle fondamentale selon laquelle seuls les organismes simples, comme les bactéries, pouvaient extraire l'azote de l'air. Ces algues sont les premiers organismes connus, du côté complexe de l'arbre de la vie, capables d'extraire l'azote de l'air.

Bien qu'il soit encore trop tôt pour tirer des conclusions définitives, Coale affirme que cette découverte pourrait avoir des répercussions majeures sur des secteurs comme l'agriculture. « Cet organisme a accompli ce que des décennies de biotechnologies n'ont pas réussi à faire, n'est-ce pas ? Il a intégré cette capacité à sa cellule. Il est donc naturel de penser que nous pourrions en tirer des enseignements », a-t-il déclaré.

Zehr, tout en restant prudemment optimiste, estime que les plantes autofertiles sont encore loin d'être une réalité. « Le problème, c'est qu'il est très difficile de passer de nos connaissances sur le nitroplaste à la création d'une plante », a-t-il déclaré. « Mais si on ne fait pas un pas, on n'en fera pas cent. »

Zehr et Hagino sont impatients de voir où leurs recherches les mèneront. Mais pour eux, il n'a jamais été question de changer le monde. Ils ont consacré leur carrière à étudier leurs modestes contributions à la compréhension du monde naturel, sans savoir ce qu'ils découvriraient, mais avec l'espoir que leurs trouvailles leur permettraient d'en apprendre un peu plus sur le fonctionnement de la nature.

Et sur ce point, il y a encore tellement à apprendre.

« Cette expérience a démontré que nous ne savons pas quelles recherches seront utiles et à quel moment », a déclaré Hagino.

« Les plus grandes avancées pourraient provenir de choses inattendues », a déclaré Zehr. « Et c'est peut-être le cas ici. »