Dans le monde des microbes, la coopération fleurit

Selon les conditions extérieures, le microbe Myxococcus xanthus peut prendre à la fois une forme compétitive (jaune) et une coopérative (verte)

Malgré la structure unicellulaire, les microbes sont capables de coopérer de manière surprenante les uns avec les autres. Ils peuvent sécréter des polymères qui leur permettent de coller ensemble et de former des biofilms pour se protéger des antibiotiques et autres poisons. Ils peuvent produire de grands volumes de lubrifiant, permettant aux colonies de se développer sur des surfaces molles, et même de produire des molécules qui chassent le fer afin de vivre dans des conditions de carence en fer, par exemple, chez l'homme.

Cette diversité de comportements pose la question de l'évolution: comment la coopération peut-elle s'épanouir dans un environnement aussi égoïste porté par la sélection naturelle? «Le problème classique est que toute forme de coopération sera coûteuse pour les individus», explique Michael Desai , un physicien qui est passé aux biologistes évolutionnaires microbiens de l'Université Harvard. "Le mystère est de savoir comment cette situation a pu se produire à la suite de l'évolution?"

La coopération - par définition, un comportement qui profite à quelqu'un d'autre - peut, par exemple, être la fourniture de nourriture ou de protection, et elle est généralement coûteuse pour le donneur. Surtout dans des organismes en mutation rapide comme les microbes, qui apparaissent régulièrement de nouvelles méthodes de tromperie, capables de fournir des coopérateurs.


La levure, capable de tromper et de coopérer, a permis aux scientifiques d'étudier l'évolution de la coopération chez les microbes

Selon le modèle de sélection naturelle le plus simple, dans une population parfaitement mélangée de coopérateurs et de trompeurs, ces derniers gagnent généralement. Mais des calculs théoriques et des expériences avec des microbes et d'autres organismes ont montré que la coopération peut se développer dans certaines conditions. Des groupes d'individus connectés travaillant ensemble peuvent surpasser les trompeurs, ce qui explique qu'une myriade d'organismes - microbes, insectes et même humains - peuvent survivre grâce à la coopération.

Deux études publiées ont découvert une nouvelle force qui peut aider les coopérateurs à s'épanouir: l'élargissement des frontières de la population. Les deux études ont fonctionné avec la levure, mais les scientifiques soutiennent que les découvertes peuvent également être transférables à d'autres espèces d'êtres vivants, y compris les humains. «On ne sait pas à quel point ce mécanisme est répandu, mais il semble tout à fait possible qu'il soit assez répandu», explique Desai.

Une meilleure compréhension des conditions dans lesquelles émerge la coopération microbienne peut aider à la recherche en santé. De nombreux microbes qui infectent les humains sont connus sous le nom de biofilms, et de nouvelles stratégies pour empêcher la formation de biofilms peuvent devenir des alternatives aux antibiotiques, qui peuvent développer une résistance chez les microbes. Les découvertes peuvent également éclairer l'évolution des organismes multicellulaires résultant d'ensembles de cellules coagissantes, ainsi que du cancer, qui peut être considéré comme un ensemble de cellules trompeuses attaquant les cellules saines et coopérantes de notre corps.

Nouveau territoire

La plupart des travaux théoriques sur l'évolution de la coopération se concentrent sur des populations statiques, vivant en un seul endroit ou en maintenant un volume constant.


Avec un manque de nourriture, des milliers de Myxococcus xanthus individuels coopèrent et créent une formation produisant des spores.

Les scientifiques savent depuis longtemps que les conventions spatiales d'une population statique peuvent inciter les microbes à l'altruisme. Bien que les trompeurs gagnent dans des groupes très hétérogènes de microbes, les morceaux de microbes collaborateurs peuvent dépasser en taille les morceaux de trompeurs. Deux théories populaires et qui se chevauchent quelque peu sur l'évolution de la coopération comprennent le choix des proches, selon lequel la générosité envers les membres de la famille aide l'un des gènes à survivre, et le choix d'un groupe selon lequel un groupe de microbes coopérants réussit plus souvent que des microbes individuels. «Les avantages de la collaboration ne profitent pas à tous les membres de la population, mais seulement à ceux qui sont proches ou génétiquement similaires», explique Desai.

Mais la plupart des espèces ne vivent pas dans des conditions statiques; ils subissent constamment des changements de quantité et changent leur habitat. Les changements, par exemple, peuvent déclencher le réchauffement climatique et les cycles géologiques, comme la période glaciaire.

Un nouvel ensemble d'études suggère que l'expansion de la population peut sérieusement affecter la dynamique évolutive. Dans une population croissante, les effets du hasard, auxquels il est fait référence plus précisément dans la théorie de l'évolution par dérive des gènes, peuvent devenir plus influents que la sélection naturelle. En conséquence, le nombre de groupes prospères de microbes collaborateurs peut être réduit.


Lorsque deux souches de microbes (vert et rouge) s'étendent à un nouveau territoire, la souche se développera très probablement à la frontière. Le résultat est un motif de «plateau tournant», comme sur la photo

Dans une expérience de 2007, l' influence de l'expansion a été démontrée visuellement. Oskar Hallatschek, biophysicien à l'Université de Californie à Berkeley, a commencé avec une goutte de deux souches microbiennes bien mélangées colorées avec des colorants fluorescents de deux couleurs. Comme les deux souches croissent au même rythme, le modèle de population statique prévoit que leur concentration ne changera pas avec le temps; le rapport initial 50:50 restera. Mais les résultats étaient complètement différents. Les microbes, ayant commencé à partager et à se répandre sur la boîte de Pétri, se séparèrent rapidement les uns des autres et organisèrent un motif «spinner» avec différentes sections de certaines couleurs. «Il s'agit d'un effet très puissant qui est très difficile à éviter», explique Halachek.

Les découvertes étaient une illustration étonnante d'un phénomène tel que le surf génétique, théoriquement prédit plusieurs années plus tôt. (Il existe de nombreux physiciens parmi les chercheurs qui sont attirés, entre autres, par le potentiel de modélisation et de test des théories évolutionnaires). Dans les grandes populations statiques, la probabilité de fixer de nouvelles mutations neutres (n'affectant pas l'aptitude à l'évolution) est extrêmement faible. Mais selon le modèle du surf, la probabilité de propagation des mutations qui se produisent à la frontière d'une population croissante est beaucoup plus élevée - elles semblent surfer sur une vague d'expansion - et deviennent plus fortes, car à cet endroit un petit nombre de cellules se reproduisent. Dans un article de 2007, Halachek et ses collègues ont expliqué comment la dérive génétique peut alimenter à la fois le surf génétique et l'apparition d'un motif de spinner. Les bactéries vertes se divisent et créent plus de colonies vertes, c'est pourquoi un coin vert se développe. "Dans le cas d'une colonie en expansion, tout dépend de l'emplacement", explique Halachek. "Même si vous êtes un mutant parfait, vous devez être sur cette frontière même pour prospérer, sinon vous n'aurez aucune chance."

Les expériences de Halachik ont ​​fourni la première preuve directe que «le surf peut changer radicalement la diversité des gènes neutres dans une grande population naturelle», explique Lauren Eskoffier , spécialiste non- chercheur en génétique des populations à l'Université de Berne en Suisse.

La découverte montre non seulement un contraste saisissant entre les populations statiques et en expansion, mais aussi le rôle important joué dans l'évolution du hasard en se produisant dans des conditions appropriées. «Il s'agit de multiplier l'importance de l'aléatoire», explique Kevin Foster , biologiste évolutionniste à l'Université d'Oxford qui n'est pas impliqué dans ce travail. "Cela signifie que certaines propriétés, même non préférables pour l'évolution, ne peuvent devenir très courantes que par accident."

Le travail de Halchek «a en fait inspiré de nombreuses recherches pour comprendre comment fonctionnent la sélection naturelle et l'expansion de la population et comment elles laissent des traces génétiques», dit Desai. - Notre travail poursuit ce sujet. Nous avons réfléchi à la génétique d'une population croissante et avons réalisé qu'elle conduisait à la coopération. »

Peu de travail d'équipe

Foster et ses collègues ont suggéré que l'expansion pourrait être une autre force poussant à la coopération grâce à une modélisation informatique détaillée des microbes en 2010. Le modèle a confirmé les découvertes de Halachek et les a poussés un peu plus loin, suggérant que l'élargissement des frontières de la population crée des conditions optimales pour la coopération des organismes.


Dans une population mixte de microbes collaborateurs (rouge) et de microbes trompeurs (vert), les coopérateurs finissent par gagner

Récemment, deux groupes de scientifiques ont démontré cet effet sur de vrais microbes, mettant en évidence les conditions spéciales en raison desquelles l'altruisme pourrait évoluer. Pour étudier la coopération dans la levure, les chercheurs ont utilisé deux espèces - des coopérateurs qui sécrètent une enzyme qui décompose le saccharose en leur nourriture préférée des microbes, du glucose et des séducteurs qui ne savaient pas comment faire cela. Presque toute la nourriture produite par les coopérateurs a été rejetée dans l'environnement, où les coopérateurs et les trompeurs ont pu se régaler.

Dans une expérience Desai publiée dans Current Biology , une goutte de liquide contenant les deux types de levure a été placée sur une boîte de Pétri. Alors que les microbes se divisent et se développent dans un espace inoccupé, la frontière de la population est occupée au hasard par des trompeurs ou des coopérateurs. Cela a conduit à «l'effet fondateur», avec des groupes de microbes vivant à la frontière qui sont étroitement liés. «Celui qui a été le premier à migrer plus tôt que les autres a eu plus de progéniture», explique Desai.

En règle générale, la population de levures collaboratrices a augmenté plus rapidement que la population de trompeurs individualistes, car les coopérateurs ont généralement augmenté plus rapidement sur un nouveau territoire. «Ils gagnent à la frontière de la population et, par conséquent, toute la frontière est occupée par des coopérateurs», explique Desai. «L'expansion spatiale d'une population peut considérablement améliorer les chances d'une évolution réussie de la coopération.»

Les microbes Desai pourraient croître en deux dimensions, mais certains cas d'expansion sont unidimensionnels - par exemple, des oiseaux se déplaçant le long d'une chaîne d'îles. Le physicien du MIT, Jeff Gore et ses collègues, ont analysé un cas unidimensionnel en cultivant un mélange de germes coopérants et tricheurs dans de minces tubes remplis de liquide. Ils ont déplacé manuellement les microbes, transférant quotidiennement une partie du liquide dans un nouveau tube. Contrairement aux microbes de Desai qui peuvent survivre sans coopération, les trompeurs de Goura avaient besoin de coopérateurs pour se nourrir et survivre, et ils ont pénétré une population croissante de coopérateurs.


Jeff Gour

Les chercheurs ont comparé le taux d'expansion des coopérateurs à la frontière avec le taux de reproduction des trompeurs derrière. Pour que les coopérateurs réussissent, ils devaient se développer plus rapidement que les trompeurs ne les attaquaient. Un travail publié dans les Actes de l'Académie nationale des sciences a montré que dans des conditions difficiles dans une population mixte, les coopérateurs se répandent et les trompeurs s'éteignent. Cependant, si les coopérateurs et les trompeurs se développent dans un espace vide, les coopérateurs ne dépassent les trompeurs que dans des conditions douces, mais pas difficiles. (Le taux de migration est calculé en mesurant la densité de population de chaque tube croissant au fil du temps). «C'est incroyable de voir comment l'expansion spatiale préfère la coopération - ils prennent le contrôle de nouveaux territoires plus rapidement que les filous ne peuvent le faire», déclare Gour.

Les coopérateurs ont un accès préférentiel aux fruits de leur travail, car certaines des enzymes sécrétées par eux restent coincées dans leurs propres parois cellulaires. Ceci est important à de faibles densités cellulaires, car "dans ces conditions, les cellules manquent de sucre", explique Gour. «Les coopérateurs peuvent donc avaler un peu de sucre total avant qu'il ne se dissolve.»

Foster affirme que l'expansion spatiale est peut-être une condition préalable à la coopération microbienne. "Il est très simple, très probablement universel, et explique l'une des découvertes les plus importantes liées aux microbes", dit-il.

En plus des germes

Bien sûr, les microbes ne sont pas les seuls organismes à accroître la population ou à coopérer. En principe, les mêmes facteurs qui jouent un rôle pour la levure peuvent être appliqués aux organismes supérieurs, bien que les scientifiques notent avec prudence qu'il n'y a pas encore de preuve pour cela.

«Il reste à comprendre à quel point cet effet est répandu dans la nature», explique Desai. De nombreuses espèces étendent leurs territoires, soit par saison, soit à long terme. La migration des populations d'Afrique il y a des dizaines de milliers d'années a-t-elle donné lieu à des préférences en faveur de la coopération?

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Expansion des personnes

Une population en expansion porte un trait génétique caractéristique, et un tel trait a été trouvé chez l'homme. Mais le problème est que ce trait est similaire à celui qui subsiste à la suite de la sélection naturelle. Les gens pouvaient migrer d'Afrique «sans raison apparente, peut-être simplement parce que c'était possible, mais pas nécessairement à cause d'une sorte de pression de l'élevage», explique Lauren Excofier, généticienne à l'Université de Berne. Ces découvertes suggèrent que ce n'est qu'en raison d'une augmentation de la fréquence des mutations qu'il ne peut être conclu que cela se produit sous l'influence de la sélection naturelle. «Dans une série d'expériences, ils essaient de développer des méthodes pour séparer ces effets purement neutres du hasard et de la sélection réelle», explique Oscar Halachek.

Excopier et ses collègues ont tenté d'étudier les effets de l'augmentation de la superficie des habitations humaines en analysant les schémas de migration des Canadiens d'expression française aux XIXe et XXe siècles. Grâce à des enregistrements généalogiques détaillés, les chercheurs ont pu déterminer qui et quand changer de lieu de résidence. Selon les résultats publiés en 2011 dans la revue Science, les femmes à la frontière de la zone de résidence avaient 15% d'enfants de plus que les autres. "Les gens sur la crête de l'onde de propagation ont laissé plus de gènes dans la population que ceux du milieu", explique Excofier. "Par conséquent, les gens et les bactéries sont quelque peu similaires - les individus à la frontière de leur habitat sont plus susceptibles d'influencer le patrimoine génétique des générations futures."

Les dossiers ont montré que les femmes frontalières se sont mariées un an plus tôt, ce qui leur a permis d'avoir plus d'enfants. Et bien que les raisons exactes de cela ne soient pas claires, Exoffier estime que les mariages précoces surviennent en raison d'une moindre concurrence à la frontière. «Ils étaient agriculteurs, ils avaient plus de ressources que ceux qui restaient au centre de la population, où tous les bons endroits étaient déjà pris», dit-il, il était donc plus facile pour les hommes de fournir des femmes.

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"Je ne connais pas la preuve que l'extension de la zone d'influence affecte le style de travail coopératif des populations humaines, mais ces deux études indiquent qu'en principe, cela peut fonctionner au profit du comportement coopératif", explique Gour.

Foster est plus sceptique quant à la mesure dans laquelle l'expansion affecte la coopération. «Cela aurait pu se produire à plus grande échelle, mais je ne suis pas sûr que l'expansion de la population favorise en quelque sorte la coopération dans les organismes non microbiens», dit-il. Les insectes sociaux, un autre groupe d'organismes qui présentent toute une gamme d'exemples de comportements coopératifs, «font les choses complètement différemment», dit-il. "Avec la croissance de la colonie, ils ne montrent pas d'expansion spatiale ou de ségrégation génétique."

Comprendre la coopération microbienne peut être important pour d'autres raisons, explique Joao Xavier , biologiste informatique au Arch Research Center. Sloane Kettering à New York. Par exemple, la dynamique de l'expansion spatiale pourrait expliquer comment les tumeurs denses acquièrent la capacité de se propager à travers les métastases.

Dans un sens, les cellules cancéreuses agissent comme des tricheurs dans un organisme coopératif. Mais les cancers les plus réussis fonctionnent également ensemble. Les cellules qui entraînent les vaisseaux sanguins dans la tumeur "profitent à elles-mêmes et à leurs voisins", a déclaré Xavier, un ingénieur chimiste au début de sa carrière, étudiant comment les colonies bactériennes peuvent être utilisées pour purifier l'eau. "C'est une propriété coopérative." Xavier, Foster et leurs collègues ont déjà montré dans des simulations que la dynamique présente dans les microbes peut également être appliquée aux cellules cancéreuses.

Foster dit que son équipe commence à étudier des colonies microbiennes plus complexes. La plupart des études en laboratoire se limitent à une ou deux souches, mais sur notre peau, ou par exemple dans l'intestin, des centaines, voire des milliers d'espèces peuvent vivre, jouant, comme les scientifiques l'ont appris, un rôle central dans la santé humaine. «Les microbes sont confrontés non seulement à leurs camarades fraudeurs, mais à toute une série d'autres bactéries et virus», explique Foster. "Si nous voulons manipuler ou changer la communauté microbienne dans l'intestin ou sur le site de l'infection, nous devons comprendre comment ils interagissent afin de comprendre comment ils vont réagir."

Un nombre croissant d'articles scientifiques sur l'expansion spatiale soulève des questions plus sombres: que se passe-t-il quand il n'y a nulle part où grandir? La réponse dépend des circonstances. Si les ressources s'épuisent, la population entière meurt. S'il y a suffisamment de ressources, mais nulle part où s'étendre, les souches frauduleuses commencent à gagner.«Lorsqu'une population finit de s'étendre, les phénotypes coopératifs peuvent s'éteindre parce que leur mécanisme dépend complètement de l'expansion», explique Desai.

En revanche, les populations se stabilisent rarement complètement. «Dans les populations naturelles, la coopération est soutenue en raison de fréquents cas d'expansion», explique Kirill Korolev , physicien à l'Université de Boston, un collègue de Gour. «Peut-être que des chocs importants se produisent périodiquement, comme des incendies de forêt, après quoi les populations se rétablissent lentement.»