Complexité inattendue des virus qui infectent les bactéries

Les scientifiques ont découvert que certains phages (les virus bactériophages, c’est-à-dire qu’ils subsistent aux dépens des bactéries qu’ils attaquent), décident de leur stratégie d’infection et de leur cycle de vie grâce à un système de communication beaucoup plus sophistiqué et complexe qu’on ne le pensait auparavant.

Dans un travail publié dans la revue Nature Microbiology, l’équipe de recherche révèle que ce système de communication implique un réseau complexe d’interactions antagonistes entre les protéines du phage et la bactérie hôte. Cette découverte approfondit nos connaissances sur le système de communication des phages, un outil prometteur pour lutter contre les superbactéries résistantes aux antibiotiques.

Les phages ont une vie sociale surprenante. En 2017, on a découvert qu’ils utilisaient un système de communication appelé arbitrage, qu’ils utilisent pour décider quel cycle de vie ils adopteraient après l’infection de leur hôte, lytique ou lysogène. Le lytique génère de multiples copies du virus au sein de la bactérie, aboutissant à la mort de la bactérie infectée (lyse) et libérant ainsi les phages. Au cours du cycle lysogène, le matériel génétique du phage est intégré au chromosome de la bactérie et ainsi, restant au repos, est copié et transmis à la progéniture lors de la réplication de la bactérie.

Jusqu’à présent, on pensait que ce système d’arbitrage ne fonctionnait qu’avec deux protéines et un petit ARN. L’une des protéines est un régulateur (AimR) et l’autre un signaleur (AimP), qui s’accumulent en fonction de la population (plus il y a de cellules infectées par le phage, plus il y a de signalisation). La production de petits ARN (AimX) est déterminante pour décider du cycle de vie que suivra le phage. “S’il y a peu de cellules infectées, il y aura peu de signalisation et beaucoup d’ARN, donc le phage commence le cycle lytique, générant de nombreuses copies et lysant les bactéries afin que les phages libérés puissent en infecter d’autres”, décrit Alberto Marina, chercheur au CSIC. professeur à l’Institut de Biomédecine de Valence (IBV) et l’un des principaux auteurs de l’étude.

Au contraire, « s’il y a beaucoup de phages et que par conséquent beaucoup de signaux sont générés, il est difficile pour les nouveaux phages de trouver des bactéries libres et il n’est pas pratique pour eux de se multiplier. Dans ces conditions, il est préférable de s’intégrer dans le génome de la bactérie et de rester au repos jusqu’à ce que le rapport bactéries-phages soit à nouveau élevé », poursuit le chercheur valencien. Selon lui, ce n’est que la pointe de l’iceberg parmi d’autres mécanismes de communication plus complexes entre phages et bactéries. Aujourd’hui, en collaboration avec les chercheurs José R. Penadés (Imperial College de Londres au Royaume-Uni) et Avigdor Eldar (Université de Tel Aviv en Israël), Marina développe le projet TalkingPhages pour approfondir ces systèmes de communication microbiens.

En collaboration avec Wilfried JJ Meijer, du Centre de biologie moléculaire Severo Ochoa (CBM, CSIC et UAM), les équipes Marina et Penadés viennent de publier un ouvrage dans Nature Microbiology qui révèle que la description initiale de l’arbitrage présentait un modèle très simplifié. «Nous avons désormais montré que davantage de protéines de phage et, surtout, les propres protéines des bactéries sont impliquées dans la décision relative au cycle de vie», souligne Marina. Dans le modèle mis à jour, « la décision entre un cycle de vie ou un autre est établie à travers un réseau complexe d’interactions antagonistes auquel participent des protéines de phage telles que SroB, décrites dans un article précédent, et YosL, ainsi qu’un système de toxines. L’antitoxine MazE-MazF de la bactérie, qui est en fait l’acteur clé de la décision.

En résumé, « l’équilibre entre toutes ces protéines régule le cycle de vie du phage, ce qui montre que cette décision est très complexe et qu’elle nécessite également la participation de l’hôte », affirme le scientifique de l’IBV. “Cela impliquerait que le phage et son hôte ont une relation plus profonde et que les phages ne sont pas des agents égoïstes qui tentent uniquement de se multiplier aux dépens de leurs hôtes”, conclut Marina. C’est ce qu’ils veulent vérifier avec le projet TalkingPhages. Ils découvrent maintenant les bases moléculaires du système arbitrium dans son contexte avec la cellule hôte.

Recréation d’un phage infectant une bactérie. (Illustration : Vicente Cases Arrué / CSIC Comunitat Valenciana)

L’utilisation de phages peut avoir d’importantes utilités biotechnologiques et biomédicales. En fait, c’est l’une des stratégies étudiées pour lutter contre les bactéries résistantes aux antibiotiques, appelées superbactéries, un problème de santé urgent qui pourrait devenir la principale cause de décès par maladie en 2050, selon l’Organisation mondiale de la santé. Ainsi, intervenir dans le cycle de vie des phages pourrait générer des applications dans le domaine de la santé à moyen ou long terme. (Source : SCCI)