L’évolution peut-elle être prévisible ou non ?

L’évolution est-elle prévisible ? Une nouvelle étude a tenté de répondre à cette question en utilisant comme exemple les mutations bactériennes.

L’étude a été réalisée par une équipe internationale dirigée par Alejandro Couce, du Centre de biotechnologie et génomique végétales (CBGP) de l’Université polytechnique de Madrid (UPM) en Espagne.

Ces travaux apportent des données nouvelles et révélatrices sur la question classique en biologie de savoir si l’évolution est totalement aléatoire ou, au contraire, peut être prévisible. Pour ce faire, il analyse le comportement évolutif des bactéries et tire parti des capacités d’analyse permises par les outils génétiques actuels. Les résultats révèlent que l’évolution des bactéries peut être prévisible à court terme, ce qui ouvre la porte à des efforts visant à anticiper l’évolution des agents pathogènes et des ravageurs, ainsi qu’à d’éventuelles applications biotechnologiques pour leur contrôle.

L’Université de Paris (France), l’Institut national de la santé et de la recherche biomédicale (France), l’Université Harvard (États-Unis), l’Université du Michigan (États-Unis) et l’Imperial College London (Royaume-Uni) ont également participé à la recherche. ).

L’objectif principal des chercheurs était d’étudier si l’effet des mutations est invariant tout au long de l’adaptation, ou au contraire montre une grande dépendance historique. Par exemple, si une mutation bénéfique chez l’ancêtre devenait néfaste chez la descendance et vice versa.

“Répondre à cette question a des implications très profondes, les plus importantes, déjà avancées, concernant la prévisibilité de l’évolution”, explique Alejandro Couce, chercheur à l’UPM.

Pour mener à bien cette étude, les chercheurs ont utilisé une technologie récente et massive de génie génétique qui permet d’introduire des centaines de milliers de mutations dans les bactéries et d’étudier l’effet individuel de chacune d’elles. «Cette technologie nous permet d’explorer l’effet, bon ou mauvais, de toutes les mutations possibles à travers les 4 millions de lettres du génome bactérien», ajoute Couce.

Bactéries. (Illustration : Stephanie Rossow / CDC / Unité de coordination et de stratégie en matière de résistance aux antibiotiques)

Dans leurs travaux, les chercheurs ont appliqué ces techniques à l’ancêtre et aux différentes étapes évolutives de la célèbre expérience d’évolution à long terme, qui implique plus de 35 ans d’évolution de 12 populations de la même bactérie dans des conditions de laboratoire constantes. Au total, ces populations fondées à partir d’un même ancêtre ont accumulé plus de 70 000 générations, soit environ 5 fois plus que celles qu’Homo sapiens a connues sur Terre. La première grande surprise de cette nouvelle étude est que la proportion globale de mutations létales, nocives et neutres reste pratiquement constante tout au long de l’évolution de ces 12 lignées, malgré le fait que l’identité spécifique des mutations montre une grande volatilité.

Pour les chercheurs, un cas particulièrement pertinent est celui des mutations mortelles : des mutations qui, comme leur nom l’indique, entraînent la mort de ceux qui en souffrent et qui révèlent quels gènes et systèmes sont essentiels à la vie. « Les résultats montrent que de nombreux gènes mortels chez l’ancêtre cessent de l’être dans les souches évoluées, mais qu’une fraction similaire de mutations non mortelles chez l’ancêtre deviennent mortelles plus tard. Le résultat, comme l’explique Couce, est « que la fraction des mutations mortelles est restée inchangée au cours de l’évolution ».

Cette constance oblige à repenser les modèles autour de la notion de génome minimum, et a des implications pratiques tant en biotechnologie (création de bactéries synthétiques) qu’en médecine (recherche de cibles pour les antibiotiques qui restent inchangées à long terme).

L’autre grand résultat des travaux concerne les mutations bénéfiques. Ces mutations représentent la plus petite fraction des effets possibles et sont les seules dont la proportion change au cours de l’adaptation.

“Nous partons d’une approche presque philosophique : si l’on pouvait connaître toutes les mutations bénéfiques possibles pour un organisme à un moment donné, pourrait-on prédire l’adaptation ?”, explique le chercheur de l’UPM.

“Nos résultats montrent que de grandes adaptations initiales sont prévisibles et qu’à mesure que l’évolution progresse, cette capacité se perd”, explique-t-il.

Étant donné que ce sont de grandes adaptations initiales qui font la différence entre la survie et l’extinction, les résultats obtenus dans cette macro-étude représentent une « injection morale » dans les efforts visant à prédire l’évolution des agents pathogènes, quelque chose qui peut être appliqué, par exemple, aux bactéries à multiples la résistance aux antibiotiques ou à de nouveaux virus pandémiques, ou au développement de nouvelles méthodes de contrôle des maladies en agriculture. De plus, ils démontrent que ces nouvelles techniques massives de génie génétique pourraient être utilisées pour développer des microbes adaptés à différentes demandes ou applications en un temps record. Ainsi, il serait par exemple possible de concevoir des bactéries qui protègent les plantes contre d’autres pathogènes, ou des bactéries qui produisent ou dégradent plus efficacement des composés d’intérêt.

« Nos travaux permettent de rêver qu’une théorie de l’évolution capable de faire des prédictions concrètes soit possible, même si ce n’est qu’à un niveau statistique, comme c’est le cas de la science du climat », conclut Couce.

L’étude s’intitule « Modification des effets des mutations sur la condition physique grâce à l’évolution bactérienne à long terme ». Et cela a été publié dans la revue académique Science. (Source : UPM)