Pourquoi étudier l’ADN de l’océan? | Tara, un voilier pour la planète

Pourquoi étudier l’ADN de l’océan?

© Vincent Hilaire - Tara Expeditions Foundation

L’objectif de Tara Pacific est audacieux : étudier de la manière la plus exhaustive possible tous les organismes microscopiques associés au corail. Pour ausculter cette diversité et espérer percer les mystères encore non résolus du fonctionnement de l’holobionte* corallien, les scientifiques font appel à un outil relativement récent et en plein essor : l’étude des gènes, rendue possible notamment par le séquençage à haut débit réalisé par le Genoscope (CEA).

 

Bactéries, virus, microalgues, champignons… Non, le corail n’est décidément pas un simple assemblage de petits polypes dans leurs jolies loges calcaires. C’est seulement ce que notre œil est capable d’en voir, mais en réalité, à l’intérieur, ça grouille de microorganismes, c’est une usine. Une usine dont le fonctionnement est encore trop peu compris alors que les récifs coralliens sont dangereusement menacés : 20 % ont déjà été détruits et les scientifiques estiment que 40 % supplémentaires pourraient disparaître d’ici quarante ans.

 

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The surface of a Diploastrea heliopora - © Vincent Hilaire / Fondation Tara Expéditions
 

Dans le cas des coraux comme pour d’autres systèmes biologiques complexes, les scientifiques étaient encore, il y a peu, trop légèrement armés pour espérer bien les comprendre. Le corail, le sol, les communautés de microbes, les eaux océaniques, tous ces environnements ont un point commun : ils sont peuplés de milliers de microorganismes différents en constante interaction. Une biodiversité invisible et très complexe, longtemps restée hors de portée des microbiologistes.

 

Trop nombreux, trop divers

Il y a un peu plus de quatre siècles, le microscope s’invitait sur les paillasses des laboratoires. Les scientifiques réalisent alors, et c’est un peu vexant, à quel point notre vision de la biodiversité est étriquée. On contemple la nature à notre échelle, à l’image de ce que nos yeux sont en capacité de voir, par le petit bout de la lorgnette donc. Car la diversité et la complexité du vivant sont bien plus considérables au cœur du monde microscopique, celui que notre œil seul est incapable d’appréhender.

Passé la barrière de la taille, les scientifiques se heurtent vite à une autre difficulté : les microorganismes sont très, très divers. On estime en moyenne qu’un litre d’eau de mer contient plusieurs millions de protistes et des milliards de virus, soit des milliers d’espèces différentes. Les carrières de centaines de biologistes vissés derrière leur microscope ne suffiraient pas à dessiner une carte, même approximative, de la diversité et du fonctionnement d’écosystèmes complexes tels que le corail, le plancton ou encore le microbiote. La nature nous échappe encore largement.

 

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Dépôt d’ADN sur le MinION, séquenceur de la taille d’une grosse clef USB qui permet un séquençage à haut débit d’ADN directement à bord – © Loic Menard

 

Recours à la génomique

Mais depuis peu, les scientifiques ont une nouvelle corde à leur arc, celle de la métagénomique. Les récents progrès des méthodes de séquençage, de stockage de données et d’analyse bioinformatique leur donnent désormais la possibilité d’interroger directement les gènes des organismes présents dans leurs échantillons. Résultat : plus besoin de les apprivoiser, de les isoler, d’apprendre à les cultiver dans les laboratoires. En très peu de temps, les biologistes sont ainsi capables d’avoir une vision très précise de la diversité et de l’abondance des microorganismes présents dans une poignée de terre ou dans un litre d’eau de mer.

 

Mise à jour d’une diversité invisible

La puissance de ces analyses génomiques repose en partie sur les propriétés de la molécule d’ADN : universelle mais suffisamment discriminante. Chaque type d’organisme et chaque espèce possède des caractéristiques génétiques qui lui sont propres, l’analyse de leur génome permet donc de les distinguer, de les identifier et de les classer précisément. On sait quelles espèces sont présentes dans le milieu et dans quelles proportions.

 

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Tampon de préservation et billes de brouillage dédiés aux prélèvements de coraux - © Noëlie Pansiot / Fondation Tara Expéditions

 

Découverte de nouvelles espèces

À l’analyse des échantillons, il n’est pas rare que les scientifiques réalisent qu’ils sont en présence d’une nouvelle espèce ou d’un nouveau gène. Pour cela, il leur suffit de croiser leurs résultats avec des bases de données publiques qui concentrent tout ce qui a déjà été référencé. Si rien ne correspond, ils savent qu’ils sont en présence de quelque chose de totalement nouveau, qu’ils sont les premiers à observer. L’analyse des échantillons de l’expédition Tara Oceans a déjà permis d’étoffer la diversité taxonomique et génétique du plancton océanique de plusieurs milliers d’espèces et de plusieurs millions de gènes. La métagénomique révèle donc avant tout, et sans surprise, l’ampleur de notre ignorance du monde microbien.

Cet inventaire de diversité est la première étape nécessaire. Une fois que l’on sait qui se trouve dans l’écosystème, on peut commencer à se poser la question de comment tout ce petit monde interagit, s’organise, évolue et s’adapte. Et là encore, les analyses génomiques se révèlent précieuses.

 

Évolution et fonctionnement des écosystèmes

Au-delà de l’aspect de la diversité, en comparant des échantillons collectés au même endroit à des périodes différentes ou dans des zones distinctes aux conditions environnementales dissemblables, on peut se faire une idée de l’évolution spatiale et temporelle de l’écosystème. In fine, l’objectif est de prédire sa réaction face à des changements de température, de concentration en oxygène ou de pH par exemple. Si on reprend l’exemple du corail, en comparant les échantillons récoltés le long d’un gradient de température on peut émettre des hypothèses sur la manière dont ce paramètre influence la diversité et la fonctionnalité des récifs.

D’un point de vue évolutif, en comparant les génomes séquencés de différents organismes, les liens de parenté entre ces derniers sont précisés et notre compréhension du chemin de l’évolution affinée, parfois bousculée.

 

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Depuis plus récemment encore, les scientifiques ont adapté les méthodes d’analyse de l’ADN à l’ARN, c’est-à-dire aux gènes qui sont réellement exprimés et donc utilisés par les organismes. Un gène présent dans un échantillon peut ne pas être exprimé et donc n’avoir aucune fonction dans l’écosystème. Il ne suffit donc pas d’identifier un gène, il faut être certain que ce dernier sera exploité. L’analyse de l’ARN permet donc de comprendre la variabilité de l’expression des gènes, donc des fonctions tenues par les organismes. Cela éclaire la complexité des interactions et la manière dont les organismes s’adaptent à des environnements parfois très particuliers et changeants.

Plus généralement, l’exploitation de ces données génétiques, leur mise en relation avec des données environnementales et morphologiques donne aux scientifiques une vision hypothétique globale du système naturel qu’ils étudient. Plus important, cela leur ouvre des chemins de recherche complètement nouveaux sur lesquels ils n’auraient peut-être jamais pensé s’aventurer.

Margaux Gaubert, journaliste scientifique


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* Holobionte : On appelle holobionte l’ensemble des communautés microbiennes internes ou de surface qui sont associées aux organismes, ici le corail. Ils forment des communautés d’espèces qui seraient la véritable unité d’évolution du génome en lien avec sa communauté microbienne, lieu probable des adaptations biologiques.

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