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Les bactéries des fonds marins
MlCROBlOLOGlE
LESBACTiRlES DESFONDS DanielPRlEUR* Leseauxmarinesrenferment desmicroorganismes adapt&s ala vieenconditions extremes. Lesmicrobiologistesdecouvrent peua peuleurdiversiteet leursproprietes physiologiques. Leursenzymes interessent les biotechnologues et certaines sontdejacommercialisees. RestequeEtudedela genetique decessouches, quidebute,necessite dedevelopper desoutilsefficaces. Lesbatteriesextremophiles n’ontpasencorelivre t&s leurssecrets... es0cCans recouvrent 70% industrielles... constituent autant d’ecosystemes qui abysses. Pourtant, quelques annees plustard,l’anadelasurface denotrepla- passionnent les microbiologistes. Toutefois les lyseducontenu dutractus digestifd’invertebres n&eet leurprofondeurocCans restent desdomaines privilegies pourl’etude abyssaux mitenevidence l’existence decommumoyenneest de 3800 demicroorganismes extremophiles s’agissant de nautesmicrobiennes barophiles,c’est-a-dire metres. Cet enorme deuxparametres parfois impossibles adissocier, la capables, souspression hydrostatique, decroisvolumed’eaudemer,donton a calculequela pression hydrostatique etlatemperature. sance et/aud’activite sup&eure(s) acelle(s) obserpartied’uneprofondeur superieure a 1000mreprevCe(s) enpression atmospherique, toutes conditions sentait 62%delabiosphere terrestre, estloind’etre La profondeurglaciedesodans Ctant Cgales parailleurs. homogene. Exception faitedupH,quifluctuepeu autourdepH 8,touslesparambtres majeurs qui Lapression hydrostatique augmente d’uneatmo- Descaractiristiques communes gouvement les&resvivants (temperature, presencesphere touslesdixmetres deprofondeur. Elleest Lagrande majorittdecessouches aCteisoleeet ouabsence d’oxygene, Cclairement, pression, tie- donede1100atmospheres danslesplusgrandes etudiee parlegroupe deA Yayanos (Sripps Institumentsmineraux, mat&eorganique) varientenor- fosses marines, tellecelledesMariannes (I 1022 tionof Oceanography, SanDiego)aux&tats-Unis. mement. Certains atteignent desvaleurs tellement m&es).DeslafinduXIXesibcle, grace al’expedi- Ainsi,la souche deSpirillum CNPT3aCtCis&e CloignCes decellesquinousconviennent, anous tiondesnaviresTravailleur et Tulisman(1882- dunamphipode endecomposition, capture damun eucaryotes (superieurs ?),quenousqualifions 1883), lebiologiste fran@sA Certes avaitmontre pibgea 5700mbtres deprofondeur etramene en d’extrtmes lesmilieuxdanslesquels cesvaleurs l’existence debatteries dansdessediments matins surface sansdecompression. Cettesouche croitde ontetemesureks, pourpeuqu’ilsabritent desorga- prelevts a5000metres deprofondeur. Pourtant ce faqonoptimale a500atmospheres, entre2 et4°C nismesvivants.Pluscertains paqametres s’tloi- n’estqu’apartirdesannees cinquante, sous avecuntempsdedoublement comprisentre4 et gnent desvaleurs moyennes, plusladiversite biolo- l’impulsiondes microbiologistes americains 13heures. A lam&me temperature maisalapresgiquediminue; elleneconcerne finalement plus CZobelletRMorita,quelamicrobiologic abyssalesionatmospherique, cetempsdedoublement estde quedesorganismes procaryotiques, batteries et s’estdeveloppee (1). troisaquatre jours.En1981, Yayanos etsescollaplusparticulibrement archaebacteries. C’estchez L’unedespremieres questions abordees parces borateurs ontdtcritle premiermicroorganisme cesdemieres quel’onrencontre lesmicroorga- pionniers fut l’existence decommunautes bacte- barophile obligatoire, la souche MT41,isoleeCganismes lesplusthermophiles etthermo-acidophiles, riennes, capables dedegrader activement lamat&e lementducadavre d’unamphipode prClevC cette lesplushalophiles, etlesplus((oxygenophobes 1) organique danscesconditions depression hydro- foisa 10476mbtresdeprofondeur dansla fosse (lesbatteries methanogbnes). statique elevee maisaussidefaibletemperature : a desMariannes. Letempsdedoublement le plus Lesmilieuxextrtmes nesontpasuneexclusivite2000-3000 metresla temperature estvoisinede courtaCteetablia25heures, a2°Csousunepresdeseauxmarines : lesdeserts, lessources chaudes2°C.Malgie’l’emploi d’tchantillonneurs sophisti- sionde690atmospheres. Aucune croissance n’est acides oualcalines, leszones pokes,lesgisementsq&s- permettant notamment deprelever unCchan- observee quandla pression estinferieure a 400 de mineraismetalliques, certaines installationstillond’eauabyssale, deleremonter alasurface et atmospheres, etlasouche perdm&me definitived’yeffectuer desmesures d’incorporation deradio- mentsaviabilite apres exposition pendant quelques traceurs, tout en maintenant la pression les princiheures a la pression atmosphkique. * CNRS,UPR9042,Stationbiologique,BP74, 29682 palesobservations tendaient a conclurequ’il L’ttuded’uneseriede souchesprovenant RoscoffCedex,France. n’existait probablement pas de microorganismes d’echantillons preledsentre1957et10476m&es (1)CEZobelletRYMorita(1957)Barophilic bacteriain libres,reellement adapt&auxconditionsdes apermisd’ttablirplusieurs conclusions deportee somedeep-sea sediments. .lBacten’ol73,563-568.
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Cellulesendivisiondel’archaebacte’rie hyperthennophile P~~OC~~CUS abyssi, observees enmicroscopic e’lectronique. Cettesoucheprovientd’unesourcehydrothermale du bassinnord-jidjien.Elleestla premierede sontypemetaboliquechezlaquelleunplasmidecryptiquea iti dtkouvert.La barrerepresente 1 micromitre.
g&&ale (2). La barophilieestun caracterecommun desmicroorganismes desmersfroides(lesbatteries psychrophiles).Un seuil sembleexisterau niveau d’une profondeurde 2000 metres,les profondeurs inferieures &ant surtout peupleesd’organismes barotolCrants. La pressionhydrostatiquepermettant la meilleurecroissancea 2°C esttoujoursinferieure a la pressionde l’endroit oti a Cteprelevel’echantillon contenantla souche.Enfin, les batteriesprovenantde 5600-5900m&es, supportentla gamme de pressionla plus&endue.
hydrostatique.Lestravauxpublicsen 1989parBartlett et sescollaborateurs peuventenpartieexpliquer cesresultatsdivergents(3). Signalonsauparavant que les mesuresd’activiteenzymatiquesontpratiqutes surdesextmitscellulaires,tandisquelestests de croissanceou les micromethodesutilisent des cellulesentieres.Cesauteursont Ctudit la souche SS9,originairedune profondeurde 2500 m&es et ont compareles profils Clectrophoretiques desprominestotalessynthetiseeslors de culturesen pressionatmosphtriqueet souspressionhydrostatique. Cesprotils sontapparusidentiques,exceptionfaite L’adaptation hlapression d’unebandecorrespondant a unemassemole&ure Assezpeu de travauxont Cteconsacresa la physio- de 37 kDa,presenteuniquementpourla culturesous logie de cesmicroorganismes.11a cependantCtC pression.La proteineconcemee,localiseedansla montre dansle casde la soucheCNPT3 CvoquCe membraneexteme, a CtCnommee OMPH (outer membraneprotein, high pressure).I1 s’agit d’une plus haut que la compositionen acidesgrasde la membranechangeaiten fonction de la pression. proteine de type porine dont le gene a CtCentiereAinsi,de plus fortesproportionsde C16:1 et Cl 8:1 ment sequence.Ainsi, lescellulesbarophilesdisposont trouveessousfortes pressions,tandisque les seraientdun mecanismed’adaptationa la pression, C14:O et C16:Odiminuent. De la m&me faqon, faisantintervenirleslipideset cetteproteinememd’autressouchescultiveessouspressionfabriquent bra&e, les enzymes intra ou extracellulaires n’etantpasobligatoirementbarophiles. davantaged’acidesgraspolyinsatures,particuliheSi la demonstrationde la barophiliechezcertaines ment a longue chaine,jusqu’a C22. Or cesacides grassonthabituellementabsentsou trb faiblement batteries abyssalesestbien etablie,elle ne s’etend pascependanta touslescomposants descommunaurepresent&chezlesprocaryotes. de cesecosystemes. En effet,toutes Plusieursauteursont Cgalementetudiel’effet de tesmicrobiennes la pressionsur l’activite enzymatiquede souches les souchesbarophilesconnuessont des h&&oabyssales.L’activite de la chitinase,par exemple, trophesvenantde micromilieuxrelativementriches s’estmontreesoitinsensiblea la pression,soit inhi- en mat&e organique(tractusdigestifsd’invertebres), bee par une pressionde 400 atmospheres.De tels cequi n’estpasle casdu milieuabyssalqui estglobaresultatssontassezCtonnants,d’autantplusquedes lementoligotrophe.De plus,le recyclagecompletde detectionsd’activitesenzymatiquespratiquees,en la mat&e organique necessitel’intervention de pressionet sanspression,surdessouchesabyssales souchesautotrophes,dont on ne con& pasencore a l’aide de micromethodes,montraientclairement d’exemplairesbarophiles.La miseen evidencede que le phenotypeCtaitaffect6par la pression,cer- telles batteries est done necessairepour pouvoir tainesenzymesn’etant detecteesqu’en pression etendrele caracterebarophilea l’ensembledescommunautesmicrobiennes abyssales. (2) AA Yayanos(1986) Evolution and ecological implications of the propertiesof deep-seabarophilic bacteria.Proc Nat1 Am’ Sci USA 83,9542-9546.
(3) D Bartlett et al (1989) Isolation of a gene regulatedby hydrostaticpressurein a deep-seabacterium.Nature 342, 512-514. (4) KO Stetteretal (1990) Hyperthermophilic microorganisms.FEMS Microbial Rev 75,117-124. (5) W Zillig et al (1981) Thermoproteales:a third order of thermoacidophilicarchaebacteria.Nature 293,85-86.
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Lesrichesses dessourceschaudes Alors que lesbiotopesfroids ou soumisa la pression sont trbs Ctendus,qu’il s’agissedes zones polaires, glaciaires ou abyssales,les biotopes chaudssontbeaucoupplus restreints,maisen definitive nombreuxet diversifies.La notion de chaud merite d’btre preciseeavant tout developpement.
Pour le microbiologiste,selon les definitions les plus couramment admises,les microorganismes thermophilesont une croissanceoptimalepour une temperaturesuperieurea 60°C. Au-dell de 80°C on parle classiquementde batteries hyperthermophiles.En milieu terrestre,lesbiotopeschaudssont de deuxtypes: lessourceschaudesacidesou solfatares (pH 1 a 3) et les sourceschaudesalcalines dont font partie les geysers(pH >7). En milieu marin, on trouve deux typesde biotopes: les biotopes cotiers situ& a proximite de zonesvolcaniques activeset les zoneshydrothermalesprofondes sittrees, notamment, dans les zones tectoniquementactivesdesdorsalesodaniques.La temperature des sourceschaudesmarines varie Cnormementselonla profondeur,et done selonla pressionhydrostatique.C’est ainsique surla dorsaledu Pacifiqueoriental,oti ont &Cdecouvertsen 1979 les premiers(( fumeursnoirs )), lestemperaturesdesfluideshydrotbermauxatteignent350°Ca 2600 m&es de profondeur.Une autre caracttristique dessitesprofondsestla formation de chemineeshydrothermalesqui resultentde la precipitation dansleseauxoceaniquesfroideset oxygenees deselementsmintraux fortementconcentresdans les fluides hydrothermauxreduits. L’exploration dessitescbtierscomme celui de Vulcan0dansles iles Boliennes(Sicile) a permis aux microbiologistes,et en particulier a K Stetter(Universitede Regensburg,Allemagne),W Zillig (Max Planck Institut, Martinsried,Allemagne)et leursCquipes, de d&ire une assezgrandevariCtCde micrporganismeshyperthermophilesfaisantessentiellement. partiede l’ordre desarchaebacteries (4,s). Cesbacteries hyperthermophiles appartiennent a trois grandsgroupesmetaboliques: lesmicroorganismes methanogenes(Methanococcus,Methanopyrus), sulfatoreducteurs (Archaeoglobus) et soufre-dependants ou sulfothermophiles (Stuphylothermus, Pyrodictium,Therntococcus, Pyrococcus,etc). L’une desespecesles plus connueset Ctudiees par de nombreusesCquipes,Pyrococcusfuriosus, illustrebien lesperformancesde ceshyperthermophiles. Cette espbceheterotrophecroit entre70 et 103°C avecun optimum a lOO”C,et sontempsde doublement est inferieur a 30 minutes. 11s’agit done d’organismesreellementadapt& a leur biotopes,et non d’organismesen situationde survie.
Denouvelles esphes En raisondes temperaturestrtrsClevCesmesurees dans les sourceshydrothermalesprofondes, la recherche d’hyperthermophiles originaux a ttC 25
MICROBIOLOGIE
l’objectif des microbiologistes ayant accesaux rares Cchantillonscollect& par les submersibles am&icainset fran@s dam les anneesquatre-vingt. Une publicationsur ce sujet, annoncantla decouverte de communautesmicrobiennescapablesde croitredansdesconditionsa priori incompatibles avecla vie, qui sontcellesdesfumeursnoirs (250300°C 250 atmospheres),a CtCa l’origine d’une vive polemique. Celle-ci s’estterminee a l’avantage des detracteurs,personne,auteurscompris, n’ayantpu reproduirecesexperiences. Neanmoins, la recherchede soucheshyperthermophilesabyssalesa CtCcouronneede succeset plusieursd’entre ellesont CtCd&rites en detail. Pour cellesqui ont fait l’objet dune etudetaxonomiquecomplete,les nouveautessesituentau niveaude l’espece,appartenant aux genres : Pyrococcus,Thermococcus, Pyrodictium,et Archaeoglobus.Aucun genrenouveaun’a CtCdecouvert. Parailleurs,d’autresespecescommeSraphylothermusmarina ou Methanopyruskandleriont Cte trouvkesen milieu &tier commeen milieu profond. Plusieurshypothesespeuvent etre avanceespour expliquercesobservations. L’une d’ellesestque les techniquesmicrobiologiquesutiliseessontdansles deux cas,cellesmisesau point pour l’btude des milieux&tiers. Les culturesprimaires,ditesd’enrichissement, en particulier,ont rarementet6realis& souspressionhydrostatique.Seule,unelegerepressionhyperbarique(2 a 3 atmospheres)a ete appliqueepour Cviterl’ebullitiondesmilieuxde culturea 100°C.I1 semblepourtantque la pressionhydrostatique ne doive pas &trenegligee.Diversessouches hyperthermophiles,isoleesa partir d’echantillons profonds selonles methodesclassiques,ont par la suiteCtesoumisesa la pressionhydrostatique.Pour plusieursd’entreelleset, en particulier,pour Pyrococcusabyssiisoleedansnotre laboratoirea partir dun echantillonprelevea 2000 m&es, unepression hydrostatiquede 200 a 400 atmospherespermet d’etendrede4 a 5” C la gammede temperaturetolb ree,de 3°Cla temperatureoptimalede croissance, et d’augmentersensiblement le taux de croissance. On peut alorsparlerde souchesbarophilesobligatoires (pour certainestemperatures),la croissancen’etant possiblequesouspressionhydrostatique. (6) JW Deming et JA Baross (1993) Deep-sea smokers: windows to a subsurfacebiosphere? Geochim et CosmochimActa 51,3219-3229. (7) G Erauso et al (1992) CaractCrisationprCliminaire d’une archaebactiriehyperthermophile posskdantun plasmide, isolBe d’une sourcehydrothermale du bassinnordfidjien. CR Acad Sci Paris 314,387-393.
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Uneprkencesouslesfendsmarins? L’effet de la pressionestparticulierementmarque pour despressionssuperieuresa celled’origine,ce qui contrasteavecles observationsrappeleesplus haut dansle casdespsychrophiles.Cette constatation a conduit JW Deming et J Baross(universite de Washington,Seatle)a proposerl’hypothbe dun reservoir situ6 sousle fond des oceans,dont les ((habitants))Cventuelsseraientsoumisau double effet despressionshydrostatiqueet lithospherique (celledu fond marin) (6). Cette hypothksene peut Ctreexclue si l’on tient compte de la decouverte recente d’hyperthermophilesdansdes reservoirs petroliers off-shore (m&me si les auteurs de ce travailproposentune autrehypothese),ou de bacteries viables dansles couchesprofondes de sedimentsmatins.La rechercheet l’explorationmicrobiologiquede nouveauxbiotopespouvantconvenir aux barothermophiles, l’etude systematiquede ces organismes par des techniques de culture utilisant simultanement hautes temperatures et hautes pressionsest, bien entendu, un objectif majeur pour les Cquipes travaillant dans ce domaine.
Desopportunitis commerciales Les thermophiles et hyperthermophilessont des microorganismesfascinants dont les proprietes adaptativesont souventCtCciteescomme susceptibles d’applications. Le meilleur exemple, car actuellementcommercialementreel, est celui des ADN polymerases.Faisantsuite a la fameuseTaq polymerasede Thermusaquaticus,d’autrespolymerasesthermostables,isoleesde Thermococcus ou de Pyrococcussont apparuessur le marche, acompagnees de ligaseset de quelquesenzymesde restriction.Les microorganismesabyssauxne sont pas absentsdu marche avecla (( deep vent DNA polymerase )) de Pyrocccussp, souche GBD. Diversesenzymes,utilisablesdans d’autres secteursquela biologie moleculaire,ont CtCparticulierementCtudieeschezlesThermococcales Thermococcuset Pyrococcus.Ce sontessentiellementdes a-amylase,pullulanase,a-glucosidase,p-glucosidase, xylanase et prottinase dans le cas des enzymesextracellulaires.Les souchesabyssales, apparuesrecemmentdartslescollectionsinternationaleset isoleespar un petit nombred’equipes,font actuellementl’objet de criblesvaries,maisdont les resultatsont t% peuou pasdiffuses.Quelleque soit l’enzyme considbree,elle provient en majorite de Thermococcales,souchesrelativement faciles a cultiveret possCdant destauxde croissancecompa-
rables aux batteries mesophiles- qui croissenta temperature moderee- d’interet industriel. Ces souches,outreleurthermophilieet leur anaerobiose stricte,sontexigeantesen chlorurede sodium,respirentpour la majoritedescomposessoufreset produisentdonede l’hydrogenesulfure.Toutescesraisonsfont que la production massivedes enzymes produitespar cessouchespasseranecessairement par le clonageet l’expressiondansdesmicroorganismesplus traditionnels, la thermostabilite des enzymesainsi produitesCtantun avantagesupplemen&irepour P&apede purification.Ameliorerle clonageet les connaisances relativesa la genetique de ces microorganismes,necessitede disposer d’outils performants : vecteurset marqueursde resistance,systemesde transformation.C’est l’un desprojetsd’un programmebaptiseBiotechnologie des extremophiles,et soutenupar la CEE. Sur ce sujet, la contributiondes hyperthermophilesabyssauxest significative, avec la decouverte,par le laboratoiredu CNRSde Roscoff,d’un plasmidequi pourrait servirdebasea l’elaborationdun vecteur, chezune nouvelleThermococcale, P abyssi(7). Lespressionset temperaturesqui viennentd&e Cvoquees sont,bien sur,desvaleursextremes,mais dont on ne con&t pasencorelesvaleurlimitesaudela desquellesla vie n’est plus possible. La recherchede ceslimites nest pasle seulobjectifa poursuivre.Pourdesvaleursplusbanalesdesparam&es physico-chimiques,il existeune extraordinaire diversite metabolique et taxonomique de microorganismesmarins et, en particulier, ceux associesauxeucaryotes,qu’il conviendraitd’explorer. Chezcertainsd’entreeux, connussimplement par leurs sequencesd’ ARN ribosomauxtypiques desarchaebacteries, on a soupconntl’existencede caracteres(( extremophiles))par analogieavecles archaebacteries isoleeset cultivees.Si cettehypothese est verifiee, quelles seraientcesproprietes (
D Prieur(1992)Physiologyof deep-seabacteria. RA Herbert & RJ Sharp (eds), Blackie, Glasgow and
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LESBACTiRlES DESFONDS DanielPRlEUR* Leseauxmarinesrenferment desmicroorganismes adapt&s ala vieenconditions extremes. Lesmicrobiologistesdecouvrent peua peuleurdiversiteet leursproprietes physiologiques. Leursenzymes interessent les biotechnologues et certaines sontdejacommercialisees. RestequeEtudedela genetique decessouches, quidebute,necessite dedevelopper desoutilsefficaces. Lesbatteriesextremophiles n’ontpasencorelivre t&s leurssecrets... es0cCans recouvrent 70% industrielles... constituent autant d’ecosystemes qui abysses. Pourtant, quelques annees plustard,l’anadelasurface denotrepla- passionnent les microbiologistes. Toutefois les lyseducontenu dutractus digestifd’invertebres n&eet leurprofondeurocCans restent desdomaines privilegies pourl’etude abyssaux mitenevidence l’existence decommumoyenneest de 3800 demicroorganismes extremophiles s’agissant de nautesmicrobiennes barophiles,c’est-a-dire metres. Cet enorme deuxparametres parfois impossibles adissocier, la capables, souspression hydrostatique, decroisvolumed’eaudemer,donton a calculequela pression hydrostatique etlatemperature. sance et/aud’activite sup&eure(s) acelle(s) obserpartied’uneprofondeur superieure a 1000mreprevCe(s) enpression atmospherique, toutes conditions sentait 62%delabiosphere terrestre, estloind’etre La profondeurglaciedesodans Ctant Cgales parailleurs. homogene. Exception faitedupH,quifluctuepeu autourdepH 8,touslesparambtres majeurs qui Lapression hydrostatique augmente d’uneatmo- Descaractiristiques communes gouvement les&resvivants (temperature, presencesphere touslesdixmetres deprofondeur. Elleest Lagrande majorittdecessouches aCteisoleeet ouabsence d’oxygene, Cclairement, pression, tie- donede1100atmospheres danslesplusgrandes etudiee parlegroupe deA Yayanos (Sripps Institumentsmineraux, mat&eorganique) varientenor- fosses marines, tellecelledesMariannes (I 1022 tionof Oceanography, SanDiego)aux&tats-Unis. mement. Certains atteignent desvaleurs tellement m&es).DeslafinduXIXesibcle, grace al’expedi- Ainsi,la souche deSpirillum CNPT3aCtCis&e CloignCes decellesquinousconviennent, anous tiondesnaviresTravailleur et Tulisman(1882- dunamphipode endecomposition, capture damun eucaryotes (superieurs ?),quenousqualifions 1883), lebiologiste fran@sA Certes avaitmontre pibgea 5700mbtres deprofondeur etramene en d’extrtmes lesmilieuxdanslesquels cesvaleurs l’existence debatteries dansdessediments matins surface sansdecompression. Cettesouche croitde ontetemesureks, pourpeuqu’ilsabritent desorga- prelevts a5000metres deprofondeur. Pourtant ce faqonoptimale a500atmospheres, entre2 et4°C nismesvivants.Pluscertains paqametres s’tloi- n’estqu’apartirdesannees cinquante, sous avecuntempsdedoublement comprisentre4 et gnent desvaleurs moyennes, plusladiversite biolo- l’impulsiondes microbiologistes americains 13heures. A lam&me temperature maisalapresgiquediminue; elleneconcerne finalement plus CZobelletRMorita,quelamicrobiologic abyssalesionatmospherique, cetempsdedoublement estde quedesorganismes procaryotiques, batteries et s’estdeveloppee (1). troisaquatre jours.En1981, Yayanos etsescollaplusparticulibrement archaebacteries. C’estchez L’unedespremieres questions abordees parces borateurs ontdtcritle premiermicroorganisme cesdemieres quel’onrencontre lesmicroorga- pionniers fut l’existence decommunautes bacte- barophile obligatoire, la souche MT41,isoleeCganismes lesplusthermophiles etthermo-acidophiles, riennes, capables dedegrader activement lamat&e lementducadavre d’unamphipode prClevC cette lesplushalophiles, etlesplus((oxygenophobes 1) organique danscesconditions depression hydro- foisa 10476mbtresdeprofondeur dansla fosse (lesbatteries methanogbnes). statique elevee maisaussidefaibletemperature : a desMariannes. Letempsdedoublement le plus Lesmilieuxextrtmes nesontpasuneexclusivite2000-3000 metresla temperature estvoisinede courtaCteetablia25heures, a2°Csousunepresdeseauxmarines : lesdeserts, lessources chaudes2°C.Malgie’l’emploi d’tchantillonneurs sophisti- sionde690atmospheres. Aucune croissance n’est acides oualcalines, leszones pokes,lesgisementsq&s- permettant notamment deprelever unCchan- observee quandla pression estinferieure a 400 de mineraismetalliques, certaines installationstillond’eauabyssale, deleremonter alasurface et atmospheres, etlasouche perdm&me definitived’yeffectuer desmesures d’incorporation deradio- mentsaviabilite apres exposition pendant quelques traceurs, tout en maintenant la pression les princiheures a la pression atmosphkique. * CNRS,UPR9042,Stationbiologique,BP74, 29682 palesobservations tendaient a conclurequ’il L’ttuded’uneseriede souchesprovenant RoscoffCedex,France. n’existait probablement pas de microorganismes d’echantillons preledsentre1957et10476m&es (1)CEZobelletRYMorita(1957)Barophilic bacteriain libres,reellement adapt&auxconditionsdes apermisd’ttablirplusieurs conclusions deportee somedeep-sea sediments. .lBacten’ol73,563-568.
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Cellulesendivisiondel’archaebacte’rie hyperthennophile P~~OC~~CUS abyssi, observees enmicroscopic e’lectronique. Cettesoucheprovientd’unesourcehydrothermale du bassinnord-jidjien.Elleestla premierede sontypemetaboliquechezlaquelleunplasmidecryptiquea iti dtkouvert.La barrerepresente 1 micromitre.
g&&ale (2). La barophilieestun caracterecommun desmicroorganismes desmersfroides(lesbatteries psychrophiles).Un seuil sembleexisterau niveau d’une profondeurde 2000 metres,les profondeurs inferieures &ant surtout peupleesd’organismes barotolCrants. La pressionhydrostatiquepermettant la meilleurecroissancea 2°C esttoujoursinferieure a la pressionde l’endroit oti a Cteprelevel’echantillon contenantla souche.Enfin, les batteriesprovenantde 5600-5900m&es, supportentla gamme de pressionla plus&endue.
hydrostatique.Lestravauxpublicsen 1989parBartlett et sescollaborateurs peuventenpartieexpliquer cesresultatsdivergents(3). Signalonsauparavant que les mesuresd’activiteenzymatiquesontpratiqutes surdesextmitscellulaires,tandisquelestests de croissanceou les micromethodesutilisent des cellulesentieres.Cesauteursont Ctudit la souche SS9,originairedune profondeurde 2500 m&es et ont compareles profils Clectrophoretiques desprominestotalessynthetiseeslors de culturesen pressionatmosphtriqueet souspressionhydrostatique. Cesprotils sontapparusidentiques,exceptionfaite L’adaptation hlapression d’unebandecorrespondant a unemassemole&ure Assezpeu de travauxont Cteconsacresa la physio- de 37 kDa,presenteuniquementpourla culturesous logie de cesmicroorganismes.11a cependantCtC pression.La proteineconcemee,localiseedansla montre dansle casde la soucheCNPT3 CvoquCe membraneexteme, a CtCnommee OMPH (outer membraneprotein, high pressure).I1 s’agit d’une plus haut que la compositionen acidesgrasde la membranechangeaiten fonction de la pression. proteine de type porine dont le gene a CtCentiereAinsi,de plus fortesproportionsde C16:1 et Cl 8:1 ment sequence.Ainsi, lescellulesbarophilesdisposont trouveessousfortes pressions,tandisque les seraientdun mecanismed’adaptationa la pression, C14:O et C16:Odiminuent. De la m&me faqon, faisantintervenirleslipideset cetteproteinememd’autressouchescultiveessouspressionfabriquent bra&e, les enzymes intra ou extracellulaires n’etantpasobligatoirementbarophiles. davantaged’acidesgraspolyinsatures,particuliheSi la demonstrationde la barophiliechezcertaines ment a longue chaine,jusqu’a C22. Or cesacides grassonthabituellementabsentsou trb faiblement batteries abyssalesestbien etablie,elle ne s’etend pascependanta touslescomposants descommunaurepresent&chezlesprocaryotes. de cesecosystemes. En effet,toutes Plusieursauteursont Cgalementetudiel’effet de tesmicrobiennes la pressionsur l’activite enzymatiquede souches les souchesbarophilesconnuessont des h&&oabyssales.L’activite de la chitinase,par exemple, trophesvenantde micromilieuxrelativementriches s’estmontreesoitinsensiblea la pression,soit inhi- en mat&e organique(tractusdigestifsd’invertebres), bee par une pressionde 400 atmospheres.De tels cequi n’estpasle casdu milieuabyssalqui estglobaresultatssontassezCtonnants,d’autantplusquedes lementoligotrophe.De plus,le recyclagecompletde detectionsd’activitesenzymatiquespratiquees,en la mat&e organique necessitel’intervention de pressionet sanspression,surdessouchesabyssales souchesautotrophes,dont on ne con& pasencore a l’aide de micromethodes,montraientclairement d’exemplairesbarophiles.La miseen evidencede que le phenotypeCtaitaffect6par la pression,cer- telles batteries est done necessairepour pouvoir tainesenzymesn’etant detecteesqu’en pression etendrele caracterebarophilea l’ensembledescommunautesmicrobiennes abyssales. (2) AA Yayanos(1986) Evolution and ecological implications of the propertiesof deep-seabarophilic bacteria.Proc Nat1 Am’ Sci USA 83,9542-9546.
(3) D Bartlett et al (1989) Isolation of a gene regulatedby hydrostaticpressurein a deep-seabacterium.Nature 342, 512-514. (4) KO Stetteretal (1990) Hyperthermophilic microorganisms.FEMS Microbial Rev 75,117-124. (5) W Zillig et al (1981) Thermoproteales:a third order of thermoacidophilicarchaebacteria.Nature 293,85-86.
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Lesrichesses dessourceschaudes Alors que lesbiotopesfroids ou soumisa la pression sont trbs Ctendus,qu’il s’agissedes zones polaires, glaciaires ou abyssales,les biotopes chaudssontbeaucoupplus restreints,maisen definitive nombreuxet diversifies.La notion de chaud merite d’btre preciseeavant tout developpement.
Pour le microbiologiste,selon les definitions les plus couramment admises,les microorganismes thermophilesont une croissanceoptimalepour une temperaturesuperieurea 60°C. Au-dell de 80°C on parle classiquementde batteries hyperthermophiles.En milieu terrestre,lesbiotopeschaudssont de deuxtypes: lessourceschaudesacidesou solfatares (pH 1 a 3) et les sourceschaudesalcalines dont font partie les geysers(pH >7). En milieu marin, on trouve deux typesde biotopes: les biotopes cotiers situ& a proximite de zonesvolcaniques activeset les zoneshydrothermalesprofondes sittrees, notamment, dans les zones tectoniquementactivesdesdorsalesodaniques.La temperature des sourceschaudesmarines varie Cnormementselonla profondeur,et done selonla pressionhydrostatique.C’est ainsique surla dorsaledu Pacifiqueoriental,oti ont &Cdecouvertsen 1979 les premiers(( fumeursnoirs )), lestemperaturesdesfluideshydrotbermauxatteignent350°Ca 2600 m&es de profondeur.Une autre caracttristique dessitesprofondsestla formation de chemineeshydrothermalesqui resultentde la precipitation dansleseauxoceaniquesfroideset oxygenees deselementsmintraux fortementconcentresdans les fluides hydrothermauxreduits. L’exploration dessitescbtierscomme celui de Vulcan0dansles iles Boliennes(Sicile) a permis aux microbiologistes,et en particulier a K Stetter(Universitede Regensburg,Allemagne),W Zillig (Max Planck Institut, Martinsried,Allemagne)et leursCquipes, de d&ire une assezgrandevariCtCde micrporganismeshyperthermophilesfaisantessentiellement. partiede l’ordre desarchaebacteries (4,s). Cesbacteries hyperthermophiles appartiennent a trois grandsgroupesmetaboliques: lesmicroorganismes methanogenes(Methanococcus,Methanopyrus), sulfatoreducteurs (Archaeoglobus) et soufre-dependants ou sulfothermophiles (Stuphylothermus, Pyrodictium,Therntococcus, Pyrococcus,etc). L’une desespecesles plus connueset Ctudiees par de nombreusesCquipes,Pyrococcusfuriosus, illustrebien lesperformancesde ceshyperthermophiles. Cette espbceheterotrophecroit entre70 et 103°C avecun optimum a lOO”C,et sontempsde doublement est inferieur a 30 minutes. 11s’agit done d’organismesreellementadapt& a leur biotopes,et non d’organismesen situationde survie.
Denouvelles esphes En raisondes temperaturestrtrsClevCesmesurees dans les sourceshydrothermalesprofondes, la recherche d’hyperthermophiles originaux a ttC 25
MICROBIOLOGIE
l’objectif des microbiologistes ayant accesaux rares Cchantillonscollect& par les submersibles am&icainset fran@s dam les anneesquatre-vingt. Une publicationsur ce sujet, annoncantla decouverte de communautesmicrobiennescapablesde croitredansdesconditionsa priori incompatibles avecla vie, qui sontcellesdesfumeursnoirs (250300°C 250 atmospheres),a CtCa l’origine d’une vive polemique. Celle-ci s’estterminee a l’avantage des detracteurs,personne,auteurscompris, n’ayantpu reproduirecesexperiences. Neanmoins, la recherchede soucheshyperthermophilesabyssalesa CtCcouronneede succeset plusieursd’entre ellesont CtCd&rites en detail. Pour cellesqui ont fait l’objet dune etudetaxonomiquecomplete,les nouveautessesituentau niveaude l’espece,appartenant aux genres : Pyrococcus,Thermococcus, Pyrodictium,et Archaeoglobus.Aucun genrenouveaun’a CtCdecouvert. Parailleurs,d’autresespecescommeSraphylothermusmarina ou Methanopyruskandleriont Cte trouvkesen milieu &tier commeen milieu profond. Plusieurshypothesespeuvent etre avanceespour expliquercesobservations. L’une d’ellesestque les techniquesmicrobiologiquesutiliseessontdansles deux cas,cellesmisesau point pour l’btude des milieux&tiers. Les culturesprimaires,ditesd’enrichissement, en particulier,ont rarementet6realis& souspressionhydrostatique.Seule,unelegerepressionhyperbarique(2 a 3 atmospheres)a ete appliqueepour Cviterl’ebullitiondesmilieuxde culturea 100°C.I1 semblepourtantque la pressionhydrostatique ne doive pas &trenegligee.Diversessouches hyperthermophiles,isoleesa partir d’echantillons profonds selonles methodesclassiques,ont par la suiteCtesoumisesa la pressionhydrostatique.Pour plusieursd’entreelleset, en particulier,pour Pyrococcusabyssiisoleedansnotre laboratoirea partir dun echantillonprelevea 2000 m&es, unepression hydrostatiquede 200 a 400 atmospherespermet d’etendrede4 a 5” C la gammede temperaturetolb ree,de 3°Cla temperatureoptimalede croissance, et d’augmentersensiblement le taux de croissance. On peut alorsparlerde souchesbarophilesobligatoires (pour certainestemperatures),la croissancen’etant possiblequesouspressionhydrostatique. (6) JW Deming et JA Baross (1993) Deep-sea smokers: windows to a subsurfacebiosphere? Geochim et CosmochimActa 51,3219-3229. (7) G Erauso et al (1992) CaractCrisationprCliminaire d’une archaebactiriehyperthermophile posskdantun plasmide, isolBe d’une sourcehydrothermale du bassinnordfidjien. CR Acad Sci Paris 314,387-393.
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Uneprkencesouslesfendsmarins? L’effet de la pressionestparticulierementmarque pour despressionssuperieuresa celled’origine,ce qui contrasteavecles observationsrappeleesplus haut dansle casdespsychrophiles.Cette constatation a conduit JW Deming et J Baross(universite de Washington,Seatle)a proposerl’hypothbe dun reservoir situ6 sousle fond des oceans,dont les ((habitants))Cventuelsseraientsoumisau double effet despressionshydrostatiqueet lithospherique (celledu fond marin) (6). Cette hypothksene peut Ctreexclue si l’on tient compte de la decouverte recente d’hyperthermophilesdansdes reservoirs petroliers off-shore (m&me si les auteurs de ce travailproposentune autrehypothese),ou de bacteries viables dansles couchesprofondes de sedimentsmatins.La rechercheet l’explorationmicrobiologiquede nouveauxbiotopespouvantconvenir aux barothermophiles, l’etude systematiquede ces organismes par des techniques de culture utilisant simultanement hautes temperatures et hautes pressionsest, bien entendu, un objectif majeur pour les Cquipes travaillant dans ce domaine.
Desopportunitis commerciales Les thermophiles et hyperthermophilessont des microorganismesfascinants dont les proprietes adaptativesont souventCtCciteescomme susceptibles d’applications. Le meilleur exemple, car actuellementcommercialementreel, est celui des ADN polymerases.Faisantsuite a la fameuseTaq polymerasede Thermusaquaticus,d’autrespolymerasesthermostables,isoleesde Thermococcus ou de Pyrococcussont apparuessur le marche, acompagnees de ligaseset de quelquesenzymesde restriction.Les microorganismesabyssauxne sont pas absentsdu marche avecla (( deep vent DNA polymerase )) de Pyrocccussp, souche GBD. Diversesenzymes,utilisablesdans d’autres secteursquela biologie moleculaire,ont CtCparticulierementCtudieeschezlesThermococcales Thermococcuset Pyrococcus.Ce sontessentiellementdes a-amylase,pullulanase,a-glucosidase,p-glucosidase, xylanase et prottinase dans le cas des enzymesextracellulaires.Les souchesabyssales, apparuesrecemmentdartslescollectionsinternationaleset isoleespar un petit nombred’equipes,font actuellementl’objet de criblesvaries,maisdont les resultatsont t% peuou pasdiffuses.Quelleque soit l’enzyme considbree,elle provient en majorite de Thermococcales,souchesrelativement faciles a cultiveret possCdant destauxde croissancecompa-
rables aux batteries mesophiles- qui croissenta temperature moderee- d’interet industriel. Ces souches,outreleurthermophilieet leur anaerobiose stricte,sontexigeantesen chlorurede sodium,respirentpour la majoritedescomposessoufreset produisentdonede l’hydrogenesulfure.Toutescesraisonsfont que la production massivedes enzymes produitespar cessouchespasseranecessairement par le clonageet l’expressiondansdesmicroorganismesplus traditionnels, la thermostabilite des enzymesainsi produitesCtantun avantagesupplemen&irepour P&apede purification.Ameliorerle clonageet les connaisances relativesa la genetique de ces microorganismes,necessitede disposer d’outils performants : vecteurset marqueursde resistance,systemesde transformation.C’est l’un desprojetsd’un programmebaptiseBiotechnologie des extremophiles,et soutenupar la CEE. Sur ce sujet, la contributiondes hyperthermophilesabyssauxest significative, avec la decouverte,par le laboratoiredu CNRSde Roscoff,d’un plasmidequi pourrait servirdebasea l’elaborationdun vecteur, chezune nouvelleThermococcale, P abyssi(7). Lespressionset temperaturesqui viennentd&e Cvoquees sont,bien sur,desvaleursextremes,mais dont on ne con&t pasencorelesvaleurlimitesaudela desquellesla vie n’est plus possible. La recherchede ceslimites nest pasle seulobjectifa poursuivre.Pourdesvaleursplusbanalesdesparam&es physico-chimiques,il existeune extraordinaire diversite metabolique et taxonomique de microorganismesmarins et, en particulier, ceux associesauxeucaryotes,qu’il conviendraitd’explorer. Chezcertainsd’entreeux, connussimplement par leurs sequencesd’ ARN ribosomauxtypiques desarchaebacteries, on a soupconntl’existencede caracteres(( extremophiles))par analogieavecles archaebacteries isoleeset cultivees.Si cettehypothese est verifiee, quelles seraientcesproprietes (
D Prieur(1992)Physiologyof deep-seabacteria. RA Herbert & RJ Sharp (eds), Blackie, Glasgow and
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