La course aux armements entre bactéries et virus offre une rare fenêtre sur une évolution rapide et complexe

Plutôt que les plantes et les animaux évocateurs des îles Galapagos que Darwin a étudiés pour élaborer sa théorie de l’évolution, le chercheur postdoctoral Joshua Borin et le professeur agrégé Justin Meyer de l’École des sciences biologiques de l’UC San Diego documentent des processus évolutifs rapides dans de simples flacons de laboratoire.

Borin et Meyer ont rassemblé des bactéries et des virus dans un flacon de laboratoire fermé – de seulement deux cuillères à café – pour étudier la coévolution en action. À mesure que les virus infectent leurs voisins bactériens, celles-ci développent de nouvelles mesures défensives pour repousser les attaques. Les virus contrent ensuite ces adaptations avec leurs propres changements évolutifs qui contournent les nouvelles mesures défensives.

En seulement trois semaines, cette course aux armements accélérée entre bactéries (Escherichia coli) et les virus (bactériophage, ou « phage ») entraînent plusieurs générations d’adaptations évolutives. Les nouvelles découvertes, publiées dans la revue Sciencerévèlent l’émergence de modèles évolutifs distincts.

“Dans cette étude, nous montrons le pouvoir de l’évolution”, a déclaré Meyer, professeur agrégé au Département d’écologie, comportement et évolution. “Nous voyons comment la coévolution entre les bactéries et les phages entraîne l’émergence d’un réseau écologique très complexe. L’évolution ne doit pas nécessairement être lente et graduelle comme le pensait Darwin.”

Meyer affirme que la nouvelle étude offre de nouvelles perspectives sur la manière dont des réseaux écologiques complexes se développent à travers des écosystèmes disparates, qu’il s’agisse de réseaux alimentaires dans la savane, de réseaux de pollinisateurs dans la forêt tropicale ou de microbes interagissant dans l’océan.

À mesure que les bactéries et les virus se sont adaptés à la présence de chacun au fil du temps, deux schémas répétitifs importants sont apparus. Il s’agit notamment de l’imbrication, un développement dans lequel les interactions étroites entre les spécialistes des bactéries et des virus sont « imbriquées » dans un éventail plus large d’interactions généralistes ; et la modularité, dans laquelle les interactions entre espèces forment des modules au sein de groupes spécialisés, mais pas entre groupes.

“Nous avons été étonnés de découvrir que notre expérience d’évolution dans de minuscules flacons avait récapitulé les modèles complexes précédemment observés entre les bactéries et les virus collectés à des échelles régionales et transocéaniques”, a déclaré Borin.

“Lorsque notre équipe de recherche a quantifié pour la première fois ce modèle multi-échelle dans les données d’interaction des bactéries environnementales et des phages, nous pensions que l’émergence d’une telle complexité nécessitait de longues périodes d’évolution”, a ajouté le co-auteur de l’étude, le professeur Joshua Weitz du département de biologie de l’Université du Maryland.

Meyer affirme que capturer ces développements évolutifs « en action » renforce le pouvoir de l’évolution, qui est souvent sous-estimé. L’évolution pathogène rapide continue de façonner notre monde de nouvelles manières. Grâce au COVID-19 et aux nouvelles mutations du SRAS-CoV-2, les virus ont démontré leur puissante capacité d’adaptation évolutive qui entraîne l’apparition de nouvelles souches lorsqu’ils rencontrent des anticorps, des vaccins et d’autres obstacles qui les empêchent d’infecter et de se propager efficacement. Ces nouveaux concepts d’évolution microbienne recadrent la manière dont les patients sont traités.

“Nous montrons que l’évolution peut produire rapidement des réseaux écologiques complexes avec très peu d’aide extérieure”, a déclaré Meyer, qui a indiqué que des exemples de telles forces évolutives externes incluent l’isolement dû à la distance géographique, les facteurs environnementaux et les interactions avec d’autres espèces. “Nous pouvons donc utiliser les phages et les bactéries comme système modèle pour comprendre les principes généraux de l’évolution et aider à montrer comment la vie sur Terre a évolué vers des écosystèmes aussi divers et complexes depuis des débuts simples.”

Dans des travaux connexes, Meyer et Weitz utilisent l’intelligence artificielle pour étudier comment les phages pourraient être utilisés dans la crise croissante de la résistance aux antibiotiques. La recherche comprend l’analyse des données évolutives pour déterminer quelles mutations chez les phages et les bactéries peuvent conduire à une infection et à une résistance. La recherche met également en évidence un nouvel effort soutenu par le Howard Hughes Medical Institute pour étudier comment les phages « géants » pourraient être utilisés comme nouveaux agents thérapeutiques.