Comment la bactérie du sol Bacillus subtilis fait elle pour survivre et croître dans un environnement naturel en perpétuel changement (température, humidité, salinité, nutriments, etc.) ? Pour le comprendre, les chercheurs de 7 pays Européens et d’Australie qui participent au projet BaSysBio, coordonné par l’Inra et financé par la Commission Européenne, publient 2 articles majeurs dans la revue internationale « Science ». Pour la première fois, tous les niveaux de régulation dans une bactérie ont été pris en compte. Ces travaux révèlent l’architecture globale des régulations génétiques chez la bactérie et mettent en évidence des stratégies d’adaptation qui reflètent les contraintes évolutives imposées par un environnement en constant changement.
Dans la première étude, Bacillus subtilis a été exposé à plus d’une centaine de conditions différentes et la façon dont la bactérie réagit et adapte le niveau d’expression de ses gènes a été cartographiée. Dans la seconde étude, Bacillus subtilis a été exposé à un changement nutritionnel et la réaction de la bactérie a été mesurée au cours du temps au niveau de l’expression des gènes, de la production des protéines et du métabolisme. Ce qui est innovant dans cette recherche est l’ampleur des données expérimentales qui permettent de cartographier avec un haut niveau de détails les mécanismes de régulation. Habituellement, un seul niveau de régulation est étudié dans un nombre limité de conditions. Ici, tous les niveaux ont été pris en compte ainsi que la façon dont ils sont reliés l’un à l’autre. Ceci a été rendu possible par une intense collaboration entre les biologistes, les informaticiens, et les mathématiciens dans une approche de « biologie des systèmes » qui associe étroitement la production de données expérimentales sur les composants cellulaires, le traitement et l’analyse bioinformatique de ces données, et leur intégration dans des modèles mathématiques qui seuls permettent de prendre en compte cette complexité afin de comprendre le fonctionnement de la bactérie dans sa globalité.
Pourquoi choisir une centaine de conditions différentes ? Parce que ces conditions reflètent celles que Bacillus subtilis peut rencontrer dans la nature, mais aussi dans le laboratoire et dans l’industrie où cette bactérie est largement utilisée. Dans cette centaine de conditions, la bactérie exprime 96 % de ses gènes ce qui a permis de définir très précisément plus de 3000 endroits sur le chromosome où la lecture des gènes commence. Plus de 500 nouveaux gènes ont été découverts et des informations sur les fonctions de nombreux gènes ont été acquises.
A l’aide des modèles mathématiques développés, les chercheurs ont étudié comment Bacillus subtilis s’adaptait à la présence d’une nouvelle source de sucre dans son milieu. Les deux sucres utilisés, le glucose et le malate, sont une bonne source d’énergie. Bacillus subtilis a été mis soudainement en présence du second sucre, et des mesures globales ont été effectuées sur tous les composants cellulaires au fil du temps jusqu’à la complète adaptation. Un jeu de données sans précédent a ainsi été collecté et utilisé par les modélisateurs pour déterminer comment la bactérie passait d’une source d’énergie à l’autre et quels mécanismes de régulation étaient utilisés. Alors qu’a priori un petit nombre de modifications du système aurait suffi à l’adaptation, les résultats ont révélé une mobilisation d’une très large partie du système cellulaire selon des modalités et des temporalités distinctes : dans un cas, la régulation a lieu principalement au niveau de la transcription des gènes et se fait lentement, dans l’autre cas, elle a lieu au niveau de la synthèse et de l’activité des protéines et se fait rapidement.
Les chercheurs ont cherché à replacer les mécanismes de régulation découverts dans le contexte de l’évolution de Bacillus subtilis. Ils ont pu proposer à l’aide de modèles mathématiques que les réactions très différentes de la bactérie au glucose et au malate sont dues à une stratégie évolutive de « réduction des coûts » d’utilisation du malate. Cette explication est très plausible car dans le sol, Bacillus subtilis vit près des racines des plantes qui produisent du malate. Par ailleurs, la centaine de conditions testées a mis en évidence de nombreux endroits du chromosome qui sont exprimés mais ne correspondent pas à des gènes codant pour des protéines. La modélisation statistique indique que cet effet a priori indésirable pour la bactérie est probablement une conséquence de son système de régulation très complexe. Malgré le risque que représente cette expression « en dehors des gènes », la bactérie a un avantage évolutif à posséder un système de régulation complexe qui lui permet de rapidement changer son programme génétique et de s’adapter.
