Des molécules de l’âge de pierre ramenées à la “vie”

Les bactéries produisent une variété de produits chimiques passionnants appelés produits naturels, y compris de nombreux antibiotiques et autres agents thérapeutiques. Pour la science, ils sont l’une des sources les plus importantes de nouveaux médicaments – mais jusqu’à présent, les chercheurs ne les ont recherchés que dans des bactéries vivantes aujourd’hui. Mais puisque les bactéries ont colonisé la terre pendant plus de trois milliards d’années, il existe une énorme variété de produits naturels au potentiel thérapeutique dans les bactéries aujourd’hui éteintes.

Des chercheurs dirigés par le chimiste Pierre Stallforth de l’Institut Leibniz de recherche sur les produits naturels et de biologie des infections à Jena et l’archéogénéticienne Christina Warinner de l’Institut Max Planck d’anthropologie évolutive de Leipzig et de l’Université de Harvard ont uni leurs forces pour puiser dans cette source. “Pour la première fois, nous avons réussi à reproduire des substances produites par des bactéries il y a cent mille ans – les paléofuranes”, explique Stallforth. L’ADN bactérien a servi de base : il contient les plans des enzymes, qui à leur tour peuvent assembler des composés chimiques. “Avec cette étude, nous avons franchi une étape importante dans la découverte de l’énorme diversité génétique et chimique de notre passé microbien”, ajoute Warinner.

Des puzzles composés de milliards de pièces

Lorsqu’un organisme meurt, son ADN se dégrade rapidement et se décompose en une multitude de minuscules fragments. Les scientifiques peuvent identifier certains de ces fragments d’ADN en les comparant à des bases de données d’organismes modernes. Mais une grande partie de l’ADN appartient à des micro-organismes inconnus qui pourraient maintenant être éteints.

Cependant, les progrès récents de l’informatique permettent de réassembler les fragments d’ADN, un peu comme les pièces d’un puzzle, pour reconstruire même des gènes et des génomes inconnus. Défi de taille avec les fragments d’ADN fortement dégradés et extrêmement courts de l’âge de pierre : “Nous avons dû repenser complètement notre approche”, explique Alexander Hübner, postdoctorant à l’Institut Max Planck d’anthropologie évolutive. Trois ans de tests et d’optimisation plus tard, selon Hübner, l’un des premiers auteurs de l’étude, ils ont fait une percée : ils ont réussi à reconstruire des sections d’ADN d’une longueur de plus de 100 000 paires de bases et à restaurer un grand nombre de anciens gènes et génomes. “Nous pouvons maintenant commencer à classer systématiquement des milliards de fragments d’ADN anciens inconnus dans des génomes bactériens de l’âge de pierre perdus depuis longtemps.”

Explorer l’âge de pierre microbien

Pour accéder à l’ADN des micro-organismes de l’âge de pierre, l’équipe a utilisé le tartre de Néandertaliens qui vivaient il y a environ 100 000 à 40 000 ans et d’humains qui vivaient il y a entre 30 000 et 150 ans. Le tartre est la seule partie du corps qui se pétrifie avec le temps, transformant la plaque vivante en un cimetière de bactéries minéralisées. En utilisant les dernières méthodes bioinformatiques, les chercheurs ont reconstruit les génomes de nombreuses espèces bactériennes. “Le défi majeur de la bioinformatique était de corriger les erreurs dans l’ADN dégradé et d’exclure toute contamination, par exemple par un ADN plus jeune”, explique Anan Ibrahim, postdoctorant à l’Institut Leibniz de recherche sur les produits naturels et de biologie des infections et également premier auteur de l’étude. étude.

En plus des nombreuses bactéries qui colonisent encore aujourd’hui la flore buccale humaine, elle a trouvé un membre inconnu du genre Chlorobium. Son ADN gravement endommagé présentait toutes les caractéristiques d’un âge avancé et a été trouvé dans le tartre de sept humains de l’âge de pierre et de Néandertaliens. Les sept génomes de chlorobium contenaient un groupe de gènes biosynthétiques – le modèle des enzymes – avec une fonction inconnue. Un génome de chlorobium particulièrement bien conservé a été reconstruit à partir du tartre de la “Dame rouge d’El Mirón”, âgée d’environ 19 000 ans, en Espagne. Le squelette retrouvé dans une grotte espagnole en 2010 est le plus ancien témoignage d’une sépulture magdalénienne sur la péninsule ibérique.

“Une fois que nous avons découvert ces mystérieux gènes anciens, nous avons voulu savoir ce qu’ils faisaient”, explique Ibrahim. En utilisant des méthodes biotechnologiques de pointe, les chercheurs ont réussi à insérer les gènes dans des bactéries vivantes, qui en ont en fait formé des enzymes fonctionnelles. Ils sont les premiers à appliquer avec succès cette approche à de l’ADN bactérien vieux de plusieurs dizaines de milliers d’années. Les enzymes réactivées produisent à leur tour une nouvelle famille de substances naturelles microbiennes, que les chercheurs ont baptisées « paléofuranes ». “C’est la première étape pour déverrouiller la diversité chimique cachée des microbes de l’histoire de la Terre”, déclare Martin Klapper, postdoctorant à l’Institut Leibniz pour la recherche sur les produits naturels et la biologie des infections et autre premier auteur de l’étude.

Une collaboration inédite pour créer un nouveau domaine de recherche

Cette réalisation est le résultat direct d’une collaboration unique entre des chercheurs en archéologie, en bioinformatique, en biologie moléculaire et en chimie, qui ont voulu briser les barrières technologiques et disciplinaires et innover sur le plan scientifique. « Avec le financement de la Fondation Werner Siemens, nous voulons jeter un pont entre les sciences humaines et les sciences naturelles. Cela nous a permis de mettre en place le nouvel axe de recherche des paléobiotechnologies », précise Pierre Stallforth. Et Christina Warinner d’ajouter : “De cette façon, nous avons pu développer des technologies pour créer de nouvelles molécules qui ont été produites il y a cent mille ans.” L’équipe espère pouvoir utiliser cette approche pour rechercher de nouveaux antibiotiques dans le futur.