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[Dossier] La vie au commencement : La grande division – partie 3

[Dossier] La vie au commencement : La grande division – partie 3

[Dossier] La vie au commencement : La grande division – partie 3 300 228 Sébastien BAGES

Tout le vivant complexe sur la Terre – animaux, plantes, champignons et ainsi de suite – se compose ‘d’êtres’ eucaryotes, et ils ont tous évolué à partir du même ancêtre. Donc, sans l’évènement ponctuel qui a produit l’ancêtre des cellules eucaryotes, il n’y aurait pas eu de plantes et de poissons, pas de dinosaures et de grands singes. Les cellules simples n’ont tout simplement pas la bonne architecture cellulaire pour évoluer vers des formes plus complexes.


Pourquoi pas ? « J’ai récemment exploré cette question avec le pionnier de la biologie cellulaire, Bill Martin, de l’Université de Düsseldorf en Allemagne », a expliqué Nick. En s’appuyant sur des données concernant les taux métaboliques et les tailles des génomes de différentes cellules, nous avons calculé la quantité d’énergie qui serait à la disposition des cellules simples lorsqu’elles ont grandi plus » (Nature, vol 467, p 929).

« Ce que nous avons découvert, c’est qu’il y a une pénalité énergique extraordinaire pour s’agrandir. Si vous deviez développer une bactérie jusqu’à des proportions eucaryotes, elle aurait des dizaines de milliers de fois moins d’énergie disponible par gène qu’un eucaryote équivalent. Et les cellules ont besoin de beaucoup d’énergie par gène, car la fabrication d’une protéine à partir d’un gène est un processus à forte intensité énergétique. La plupart de l’énergie d’une cellule est dédiée à la fabrication des protéines ».

À première vue, l’idée que les bactéries n’ont rien à gagner en grandissant plus semble être compromise par le fait qu’il y a des bactéries géantes plus grandes que la plupart des cellules complexes, notamment Epulopiscium, qui prospère dans l’intestin du chirurgien [ndlr : poisson de la famille Acanthuridae]. L’Epulopiscium a jusqu’à 200000 exemplaires de son génome complet. Compte tenu de tous ces génomes multiples à prendre en considération, l’énergie disponible pour chaque copie de n’importe quel gène est presque exactement le même que pour les bactéries normales, en dépit de la vaste quantité totale d’ADN. Peut-être se sentent-ils mieux que les grappes de cellules qui ont fusionné en une seule, plutôt qu’en tant que cellules géantes.

Alors, pourquoi les bactéries géantes ont-elles besoin d’autant de copies de leur génome ? Rappelons que l’énergie récoltée par les cellules provient du champ de forces transmit par leurs membranes, et que ce potentiel de membrane équivaut à un coup de foudre. Si les cellules se trompent, c’est à leurs risques et périls : si elles perdent le contrôle du potentiel de membrane, elles meurent. 20 ans auparavant, le biochimiste John Allen, actuellement à l’Université Queen Mary de Londres, a suggéré que les génomes sont essentiels au contrôle du potentiel de membrane, par la production de protéines. Ces génomes ont besoin d’être près de la membrane qu’ils contrôlent afin qu’ils puissent réagir rapidement aux moindres changements locaux. Allen et d’autres ont amassé une bonne partie de preuve que cela est vrai pour les eucaryotes, et il y a de bonnes raisons de penser que ce principe s’applique aussi à des cellules simples.

Donc, le problème auquel les cellules simples ont à faire face est le suivant. Pour grandir et devenir plus complexes, elles doivent produire plus d’énergie. La seule façon de faire c’est d’étendre la zone de la membrane qu’elles utilisent pour récolter l’énergie. Pour maintenir le contrôle du potentiel de membrane en dilatation, elles doivent cependant faire des copies supplémentaires de leur génome entier – ce qui signifie qu’elles ne gagnent pas réellement d’énergie à cause de cette copie.

En d’autres termes, plus les cellules simples acquièrent de gènes, moins elles peuvent faire avec eux. Et un génome complet de gènes qui ne peut pas être utilisé ne présente aucun avantage. Il s’agit là d’un obstacle énorme à la croissance vers quelque chose de plus complexe, parce que faire un poisson ou un arbre nécessite des milliers d’autres gènes que les bactéries possèdent.


Alors, comment les eucaryotes ont contourné ce problème ? En acquérant les mitochondries.

Il y a environ 2 milliards d’années, une cellule simple a en quelque sorte fini dans une autre. L’identité de la cellule hôte n’est pas claire, mais nous savons qu’elle a acquis une bactérie, qui a commencé à se diviser en son sein. Ces cellules à l’intérieur des cellules étaient en compétitions pour la succession ; elles devaient se répliquer le plus rapidement possible, sans perdre leur capacité à produire de l’énergie, pour être susceptibles d’être mieux représentées dans la prochaine génération.

Et ainsi de suite, de génération en génération, ces bactéries symbiotiques ont évolué en groupes électrogènes minuscules, contenant à la fois la membrane nécessaire pour fabriquer de l’ATP et le génome nécessaire pour contrôler le potentiel de membrane. Fondamentalement et au fil du temps, cependant, ces électrogènes ont été dépouillés à un strict minimum. Tout ce qui était inutile a été enlevé. Les mitochondries avaient l’origine un génome de peut-être 3000 gènes ; aujourd’hui, elles en ont seulement 40 qui sont restés.

Pour la cellule hôte, cela se passa d’une manière différente. Comme le génome mitochondrial s’est réduit, la quantité d’énergie disponible pour la copie des gènes-hôtes a augmenté et son génome pouvaient se développer. Inondé d’ATP, servi par des escadrons de la mitochondrie, la cellule était libre d’accumuler de l’ADN et grandir. Vous pouvez penser à des mitochondries comme une flotte aérienne qui ‘porte’ l’ADN dans le noyau de la cellule. Comme les génomes mitochondriaux ont été dépouillés de leur propre ADN, devenu inutile, ils sont devenus plus légers et pouvaient soulever une charge plus lourde, ce qui a permis au génome du noyau cellulaire de se développer toujours plus grand.

Ces génomes énormes ont fourni la matière première génétique qui a mené à l’évolution de la vie complexe. La mitochondrie n’a pas créé la complexité, mais elle l’a permise. Il est dur de s’imaginer une autre façon d’obtenir la solution pour pallier au problème de l’énergie – et nous savons que c’est arrivé juste une fois sur Terre parce que tous les eucaryotes descendent d’un ancêtre commun.


Crédit image : Donald Fawcett/Getty

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Sébastien BAGES
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Sébastien BAGES

Plus de trois années de travail passionné sur Civilisation 2.0 Actus, et fondateur de l'association Civilisation 2.0, je mets à contribution mon expertise de veille technique et scientifique, mon analyse de chef de projet, mon engouement pour la science et ses outils, et mon expérience dans le développement stratégique afin d'offrir à tous ce qui en résulte.

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