Une symbiose magnétique entre des bactéries et un protiste

Dans un article publié dans le journal Proceedings of the National Academy of Science, des scientifiques viennent de révéler la symbiose entre des organismes microbiens, dont les propriétés magnétiques leur permettent de naviguer collectivement dans les sédiments. Ce travail rendu possible par une forte interaction entre la science des matériaux et la microbiologie, aide à comprendre les mécanismes associés à l’émergence de nouvelles fonctions chez le vivant.

L’étude des interactions du vivant à l’échelle microscopique serait encore aujourd’hui inaccessible sans l’interdisciplinarité de scientifiques armés de technologies de pointe. En effet, le résultat du croisement de leurs travaux a aujourd’hui permis de révéler une singulière association entre des bactéries magnétotactiques et leur hôte, un eucaryote unicellulaire (i.e. protiste).

Comprendre l’intérêt de la présence des bactéries attachées à la surface du protiste, montre l’ingéniosité d’adaptations environnementales dont font preuve les microorganismes face à leur environnement.

Les microorganismes sont en effet capables de percevoir leur environnement et de réagir à leurs fluctuations à l’aide de récepteurs en tous genres : pression, température, et même le champ magnétique terrestre. Des microorganismes ont élaboré des structures sensorielles spécifiques ou des stratégies écologiques leur permettant d’exploiter les variations du champ magnétique terrestre.

De nombreux animaux, notamment des oiseaux, des poissons et des insectes, possèdent naturellement cette capacité de géolocalisation pour s’orienter lors de leur migration sur de longues distances. Dans le monde microbien, la magnétoréception des bactéries repose sur la synthèse de chaînes de nanocristaux magnétiques intracellulaires. C’est à l’heure actuelle, la seule forme de géolocalisation à avoir été caractérisée par les scientifiques.

L’ensemble des microorganismes sensibles au champ magnétique décrits à ce jour associent la magnétoréception à des systèmes de senseurs dédiés à toutes sortes de signaux physico-chimiques grâce auxquels ils peuvent naviguer en direction ou à l’opposé de substances spécifiques. Ce comportement de navigation, appelé magnétotaxie, n'était, jusqu'à récemment, observé que chez les bactéries magnétotactiques, présentes dans des zones à fort gradient chimique, généralement rencontrées dans les sédiments aquatiques. En guidant leur déplacement le long des lignes verticales du champ magnétique plutôt que dans un volume, leur magnétisme leur permet de trouver plus facilement la zone au niveau de laquelle les conditions sont optimales pour leur croissance. Cependant, des découvertes ont révélé en 2019 que des protistes flagellés d’une dizaine de micromètres avaient également acquis cette capacité par une stratégie singulière : la symbiose avec ces bactéries magnétotactiques. La magnétotaxie est assurée collectivement, les symbiotes bactériens fabricants les nano aiguilles magnétiques et l’hôte eucaryote permettant la perception de l’environnement chimique et la nage. Cependant, la grande question était de comprendre comment cet ensemble pouvait fonctionner de façon aussi coordonnée.

Les scientifiques ont ainsi déployé une multitude d’approches et de technologies incluant la microscopie électronique à transmission et à balayage et le rayonnement synchrotron sur des cellules environnementales triées individuellement pour comprendre comment interagissent physiquement les symbiontes et leur hôte ainsi que l’origine des propriétés magnétiques de l’ensemble. Ils ont ainsi pu présenter de manière explicite et détaillée les structures membranaires qui assurent l'alignement longitudinal des cellules les unes par rapport aux autres. Ils ont également démontré que les propriétés magnétiques des cristaux fabriqués maximisent le moment magnétique de chaque symbiote et celui de leur hôte. De manière surprenante, la description détaillée des structures mises en place entre les bactéries et le protiste montre un excès de magnetosome par rapport à ce qui serait nécessaire pour expliquer les mécanismes de géolocalisation. Il semble que d’autres avantages pour la physiologie des microorganismes aient été développés au cours du temps. Ces travaux ouvrent donc de nouvelles pistes à explorer pour comprendre ces interactions symbiotiques.

figure
© Lefèvre and al.

Figure : Image colorisée de cryomicroscopie à rayons X à transmission obtenue au synchrotron d’Alba en Espagne. Reconstruction du volume d’un holobionte magnétotactique montrant les chaines de nanocristaux magnétiques (en rouge) synthétisées par les symbiontes magnétotactiques attachés à la surface de leur hôte eucaryote (en cyan).

Pour en savoir plus :
Collective magnetotaxis of microbial holobionts is optimized by the three-dimensional organization and magnetic properties of ectosymbionts
Chevrier DM, Juhin A, Menguy N, Bolzoni R, Soto-Rodriguez PED, Kojadinovic-Sirinelli M, Paterson GA, Belkhou R, Williams W, Skouri-Panet F, Kosta A, Le Guenno H, Pereiro E, Faivre D, Benzerara K, Monteil CL, Lefevre CT
PNAS (2023) DOI:120:e2216975120

Contact

Christopher Lefevre
Chercheur CNRS
 

Laboratoire

Institut Biosciences et Biotechnologie d'Aix-Marseille - BIAM (Aix-Marseille Université/CNRS/CEA)
CEA de Cadarache
13115 St Paul lez Durance