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 Révolution en exobiologie

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MessageSujet: Révolution en exobiologie   Ven 03 Déc 2010, 14:41



Un ADN à l'arsenic : nouvelle forme de vie et révolution en exobiologie


Changement de paradigme en vue : des biologistes ont déniché une bactérie qui sait substituer l'arsenic au phosphore quand celui-ci vient à manquer et l'utiliser dans ses protéines et même son ADN. De quoi bouleverser les manuels de biologie mais aussi élargir le point de vue de l'exobiologie : la vie semble pouvoir s'adapter à des conditions bien plus variées qu'on ne le pensait. Ce n'est pas un hasard si c'est la Nasa qui a lancé la nouvelle...

Ce 2 décembre 2010, la Nasa avait bruyamment annoncé une nouvelle étonnante « sur la vie extraterrestre », diffusée sur Nasa Television. Mais, non, il ne s'agissait pas de la découverte de quelque E.T. Cette annonce n'était que celle d'une nouvelle bactérie, découverte dans les sédiments du Lac Mono, en Californie, hypersalin et hautement alcalin. Banal ? Non, révolutionnaire ! Cette bactérie, baptisée pour l'instant GFAJ-1, est capable d'une prouesse invraisemblable : remplacer le phosphore de son ADN par une substance d’ordinaire toxique, l’arsenic.
Remarquablement, trois des auteurs de l’article de Science avaient prédit il y a deux ans qu’un tel organisme pouvait exister. Voyons de plus près les arguments de Felisa Wolfe-Simon, une géomicrobiologiste, de Paul Davies, le directeur du fameux Beyond (Center for Fundamental Concepts in Science, Arizona) et de leur collègue Ariel Anbar.


Sur ce schéma montrant la composition chimique d'un brin d'ADN, on voit clairement les atomes de phosphore, P, dans les carrés orange. Ce sont ces atomes de phosphore qui sont remplacés par de l'arsenic par la bactérie du lac Mono © www.bioinformatique.eu

CHONPS : voilà les 6 premiers atomes entrant dans la composition des organismes vivants terrestres. Nous avons nommé le carbone, l’hydrogène, l’oxygène, l’azote, le phosphore et le soufre. On a toutes les raisons de penser que la vie a démarré dans l’océan, peut-être dans les cheminées des sources hydrothermales découvertes par Jean Francheteau. Le problème est que le phosphore est plutôt rare dans l’océan. L’apparition de molécules comme l’ADN ou l’ARN devient du coup plus difficile à comprendre. En revanche, l’arsenic est bien plus abondant, lui...
Or, si l’on regarde sa place dans le tableau de Mendeleïev, on remarque que l’atome d’arsenic se trouve dans la même colonne que le phosphore et même juste en dessous de lui. Cela signifie que ses propriétés chimiques sont très voisines de celles du phosphore. Bien qu’il soit à haute dose un violent poison pour les organismes vivants, il semblait donc concevable que les premières formes vivantes aient pu démarrer avec un ADN ou un ARN sans phosphate mais plutôt à l’arsenic.
Felisa Wolfe-Simon a entrepris de le prouver et elle a cherché des environnements où une bacterie était le plus susceptible d’utiliser de l’arsenic, d’une façon ou d’une autre.


Felisa Wolfe-Simon collectant des échantillons de bactéries dans les sédiments du lac Mono © Henry Bortman

Avec ses collègues, elle a collecté la bactérie GFAJ-1 dans les sédiments des berges du lac Mono. Ce micro-organisme fait partie des Halomonas, un genre connu d’extrêmophiles capables de se développer dans des milieux sursalés et dont certains supportent de fortes concentrations d’arsenic.
L’ADN de GFAJ-1 était parfaitement normal au début des expériences, il ne contenait donc pas d’arsenic. Felisa Wolfe-Simon a mis en culture les bactéries et cherché à voir comment elles allaient réagir si elles étaient brutalement privées de phosphore dans un milieu contenant en revanche de l’arsenic en abondance.
Premier résultat : GFAJ-1 se développe sans aucun problème. Mais pouvait-on en déduire que de l’arsenic avait été utilisé à la place du phosphore ? Après tout, l’organisme pouvait peut-être se révéler un as du recyclage de cet atome… Cela semblait tout de même difficile à croire car pendant plus d’une année, des générations de ces bactéries se sont succédé bien que privées de toute source de phosphore. Or, il faut bien fabriquer des protéines et des acides nucléiques (ADN et ARN) lorsqu'on se multiplie et toutes ces molécules contiennent du phosphore chez tous
les êtres vivants de la planète.


La bactérie GFAJ-1 cultivée avec du phosphore © Jodi Switzer Blum

Pour trancher définitivement la question, Wolfe-Simon et ses collègues ont utilisé des méthodes de spectrométrie de masse de pointe connues sous les noms de ICP-MS et NanoSIMS (Spectrométrie de Masse à Ionisation Secondaire). En comparant les cultures, il était clair que les bactéries issues de celles riches en arsenic mais dépourvues de phosphore contenaient bien elles-mêmes beaucoup d’arsenic mais très peu de phosphore.


La bactérie GFAJ-1 cultivée avec de l'arsenic mais pas de phosphore © Jodi Switzer Blum

Mieux, en utilisant des isotopes radioactifs de l’arsenic, les chercheurs ont montré qu’environ 10 % de l’arsenic absorbé par les bactéries se retrouve dans leurs acides nucléiques. La technique d’extraction et de purification de l’ADN avec du gel d’agarose, couplée avec la NanoSIMS, n’a ensuite guère laissé de doute sur la substitution des atomes de phosphore de l’ADN de GFAJ-1 par des atomes d’arsenic. Cela a d’ailleurs été confirmé par des études plus fines conduites à partir de la microspectroscopie EXAFS (Extended X-Ray Absorption Fine Structure).
Remarquablement, les bactéries remises en cultures dans un milieu riche en phosphore mais dépourvu d'arsenic se sont à nouveau développées sans aucun problème.
Comme le dit Michael New, un exobiologiste de la Nasa : « La découverte d'un organisme qui peut utiliser l'arsenic pour construire ses composants cellulaires peut indiquer que la vie peut se former en l'absence de grandes quantités de phosphore disponibles, augmentant ainsi la probabilité de trouver la vie ailleurs. Cette découverte élargit notre compréhension des conditions dans lesquelles la vie peut se développer et peut-être apparaître, ce qui accroît notre compréhension de la distribution de la vie sur Terre et les habitats potentiels pour la vie ailleurs dans le Système solaire ».

Il semble aussi qu'il va falloir repenser la gamme de tests possibles pour détecter des formes de vies ainsi que les lieux où la chercher, par exemple sur Mars, Europe ou sous forme de biosignatures dans l'atmosphère d'une exoTerre.
La conférence de la Nasa du 2 décembre 2010 avec Felisa Wolfe-Simon elle-même est disponible dans cette vidéo sur YouTube.

Futura-Sciences

La vidéo de la conférence de presse



Le communiqué de la NASA
http://www.nasa.gov/topics/universe/features/astrobiology_toxic_chemical.html
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MessageSujet: Re: Révolution en exobiologie   Ven 03 Déc 2010, 18:06

C'est super intéressant car cela ouvre d'autres horizons de recherches!
Cordialement
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MessageSujet: Re: Révolution en exobiologie   Dim 26 Déc 2010, 20:21



Bactéries à l’arsenic : les réponses de l’équipe à la polémique

Après la pluie de critiques qui s’est abattue sur les auteurs de l’étude d’une bactérie censément capable de remplacer le phosphore de ses molécules par de l’arsenic, l’équipe a enfin répondu. «Notre travail est bon mais pas terminé. Nous allons continuer et nous espérons que de nombreux laboratoires s’empareront de cette question » expliquent-ils en substance.


La bactérie à l’arsenic continue à agiter le monde de la biologie mais aussi la planète Web. La Nasa avait fait très fort en organisant le buzz autour d’une conférence de presse axée sur la « vie extraterrestre ». Finalement, c’est une drôle de bactérie, bien terrestre, qui a été présentée par Felisa Wolfe-Simon (chercheuse au U.S. Geological Survey), le 2 décembre 2010, en même temps que paraissait l’article scientifique dans la revue Science.


Apparaît alors une nouvelle star : GFAJ-1. Elle est une bactérie classique, déjà connue, recueillie dans lessédiments alcalins du lac Mono, naturellement riches en arsenic. Mais elle a révélé un don exceptionnel : celui de se développer en milieu dépourvu de phosphore mais comportant de l’arsenic. Les analyses menées par les auteurs ont montré que cet arsenic est lié à l’ADN et aux protéines. D’où la conclusion que si la bactérie parvient à se multiplier, donc à fabriquer des acides nucléiques et des protéines alors qu’il n’y a pas de phosphore, c’est qu’elle est capable de remplacer cet atome par de l’arsenic (présent sous forme d’arséniate), lequel a en effet des propriétés chimiques voisines (il occupe la même colonne que le phosphore dans le tableau périodique des éléments).


Felisa Wolfe-Simon au travail, en train de recueillir un échantillon d'algues. © F. Wolfe-Simon/J. Glass


Communiquer : un art difficile pour un scientifique

Un tel échange n’a jamais été observé et paraît proprement stupéfiant à un biochimiste. La vie utilise un certain nombre d’atomes, en premier lieu le carbone, l’hydrogène, l’oxygène, l’azote et le phosphore. On les retrouve comme constituants des acides nucléiques (ADN, ARN), des protéines, des glucides et des lipides, chimiquement associés entre eux de la même manière, que ce soit chez les bactéries, les virus, les crabes, les humains, les algues ou les séquoias.


Les réactions des scientifiques ont d’abord été empruntes de scepticisme, ce qui est logique, comme pour l’exobiologiste André Brack que nous avions interrogé sur le sujet. Et la manière dont la nouvelle a été présentée, de manière si médiatisée, a généré elle aussi des critiques. La Nasa s’en est défendue et les commentaires se sont multiplié sur le Web, tandis que l’équipe refusait de s’exprimer et même de s’expliquer devant les journalistes. Pour les auteurs de l’étude, ce travail scientifique devait être critiqué selon la méthode scientifique…

Finalement, Felisa Wolfe-Simon a dû descendre dans l’arène. Un communiqué a d’abord été publié, sous la forme de questions-réponses, les questions étant soulevées publiquement par les scientifiques. La chercheuse a ensuite accordé un entretien à la revue Science, publié sur le site Web de la revue. Felisa Wolfe-Simon confie que la vie s’est compliquée pour elle après la conférence de presse de la Nasa. Pour elle, c’était une bonne manière de diffuser cette nouvelle. « Cela me semblait bien que ma mère puisse comprendre ce que j’ai fait » résume-t-elle.

Elle confirme que ses coauteurs et elle n’ont pas voulu discuter plus avant des détails techniques de leur travail autrement que devant des collègues. Ce qu’ils ont fait, diffusant des données supplémentaires à qui le demandait. Felisa Wolfe-Simon avoue aussi qu’elle était épuisée…


Le lac Mono, avec ses sédiments très alcalins et riches en arsenic, est
plutôt inhospitalier. Mais la vie terrestre est coriace... © Nasa


Des résultats à préciser

À la question de savoir pourquoi l’équipe n’a pas réalisé les analyses démontrant indubitablement que de l’arsenic avait bien été intégré à l’intérieur même de la molécule d’ADN, en lieu et place d’atomes de phosphore, la chercheuse répond que de tels tests ont bien été réalisés. Ils ont donné des résultats « inhabituels que nous ne pouvions expliquer ». Les auteurs ont choisi de publier tout de même pour « initier des collaborations » avec d’autres équipes afin de pousser plus loin les analyses. C’est ce qui est en train de commencer, selon elle.


Dans leur communiqué « questions-réponses », les auteurs reviennent sur les critiques techniques portant sur un possible défaut de purification de l’ADN (l’arsenic observé viendrait alors du milieu). L’argument est rejeté, notamment parce que l’expérience s’est appuyée sur trois analyses différentes. Certains doutent de la possibilité même qu’une chaîne comme celle de l’ADN puisse être suffisamment solide quand les ponts de phosphore sont remplacés par de l’arsenic. Les auteurs conviennent qu’il y a là une question intéressante…

Pourrait-il y avoir juste un peu de phosphore dans le milieu, même sous forme d’impuretés ? Non, répliquent les auteurs. Les bactéries ne se développaient pas du tout sur ce milieu en l’absence soit de phosphate soit d’arséniate.

Conclusion des auteurs : que d’autres équipes reprennent ou continuent ce travail, indépendamment ou avec leurs échantillons. Affaire à suivre, donc !

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MessageSujet: Re: Révolution en exobiologie   Dim 26 Déc 2010, 20:30



Des bactéries qui remplacent le phosphore par l’arsenic : réalité ou artefact ?

Par Purificación López-García,
Unité d’Ecologie, Systématique et Evolution, CNRS UMR8079, Université Paris-Sud, 91405 Orsay.

Dans un article publié en ligne par la prestigieuse revue Science le 2 décembre 2010, Felisa Wolfe-Simon et ses collaborateurs affirment avoir isolé « une bactérie qui peut croître en utilisant l’arsenic à la place du phosphore« . Cette information a été immédiatement répercutée et amplifiée par divers médias qui n’ont pas hésité à faire des déclarations telles que « l’existence des bactéries qui consomment l’arsenic rend la vie extraterrestre possible » ou « la NASA découvre une nouvelle forme de vie ».

Qu’y a-t’il de si extraordinaire dans cette découverte pour susciter une telle attention ? Ce n’est certainement pas l’existence des bactéries qui consomment l’arsenic pour croître. En effet, l’existence des bactéries et d’archées qui utilisent l’arséniate comme accepteur d’électrons dans des réactions d’oxydo-réduction pour l’obtention d’énergie libre (dans des termes métaboliques, des respirations) est connue depuis des nombreuses années. Certaines bactéries pratiquent la respiration de l’arséniate (AsO43-) comme d’autres utilisent d’autres composés oxydés (O2, S0, NO3-, SO42-, CO2, Fe3+, CrO44+, acides humiques oxydés, Mn4+, UO22+, SeO42-, DMSO, NA(D)P+, fumarate, etc.). Ceci ne serait donc pas une surprise pour les microbiologistes. Ce qui constitue vraiment la nouveauté est la revendication qu’un élément essentiel, tel que le phosphore, soit remplacé par l’arsenic dans la composition des macromolécules de la cellule.

Pourquoi ? Les macromolécules cellulaires que nous connaissons (ADN, protéines, lipides, polysaccharides) sont essentiellement composées de six éléments majeurs (hydrogène, carbone, oxygène, azote, soufre et phosphore). Le phosphore (P), en particulier, fait partie intégrante du squelette sucre-phosphate sur lequel se greffent les bases azotées dans la molécule porteuse de l’information génétique de la cellule, l’ADN. Le dogme généralement accepté est que, la chimie de la cellule étant très spécifique, le remplacement d’un élément constitutif des macromolécules par un autre aurait des conséquences délétères pour la vie. Les auteurs de cet article le questionnent en partant d’une hypothèse : par ses caractéristiques physico-chimiques très similaires au P, l’arsenic (As) pourrait le remplacer dans la chimie de la cellule. En partie, ils n’ont pas tort, puisque c’est en effet parce que l’As ressemble le P qu’il est si toxique pour la plupart des cellules : en se substituant au P mais en donnant des espèces beaucoup plus instables, il bloque la biochimie cellulaire. Il est ainsi connu comme un agent découplant de la chaîne respiratoire car il empêche la formation d’ATP (adénosine triphosphate, la molécule destockage chimique de l’énergie dans la cellule) au cours de la phosphorylation oxydative par substitution de l’As au phosphore.

Que montre cette étude ? Pour voir si, éventuellement, des microorganismes actuels pourraient substituer le P par l’As, Wolfe-Simon et collaborateurs isolent une souche de bactérie du Mono Lake (un environnement extrême de par sa salinité élevée) en utilisant des milieux progressivement enrichis en As et dépourvus de P. Ils arrivent ainsi à cultiver une souche unique, GFAJ-1, une bactérie du genre Halomonas qui est capable de croître en absence de P ajouté au milieu mais en présence d’As et vice versa (avec P, mais sans As). Les auteurs utilisent alors une série de techniques tendant à démontrer que l’arsenic s’accumule à l’intérieur de la cellule. Ils voient ainsi en utilisant la microsonde ionique (NanoSIMS), une sorte d’imagerie chimique de haute résolution, que l’As semble effectivement associé aux cellules. La même chose semblerait indiquer une expérience d’incorporation d’As marqué aux fractions protéiques et des acides nucléiques des cellules. Toutefois, cela ne démontre toujours pas que l’As remplace le P, mais simplement qu’il se retrouve à l’intérieur de la cellule et associé à des fractions cellulaires. Rien d’étonnant quand on sait que des bactéries du genre Halomonas sont capables d’accumuler l’As intracellulairement. Pour tenter de prouver que l’As est incorporé à l’ADN les auteurs utilisent le µXANES au synchrotron, une technique qui permet d’analyser l’environnement chimique des atomes, pour analyser des extraits bruts des cellules qui ont poussé dans un milieu riche en As et sans P. Ils observent alors une série de pics dans les spectres générés qu’ils interprètent comme étant le résultat de la présence des liaisons As-O et As-C et, par conséquent, comme étant bel et bien incorporés dans l’ADN.


Image de la bactérie en question. Crédits : NASA / Science

Quel impact aurait une telle découverte ? Une confirmation de ce résultat en ferait une découverte extraordinaire. Toutefois, on ne peut pas parler d’une nouvelle forme de vie, puisqu’il s’agit d’une bactérie appartenant à un groupe très dérivé (moderne) des bactéries, largement répandu sur la planète et, qui plus est, qui utilise le P comme « tout le monde » dans des conditions naturelles. Cela montrerait, tout au plus, une flexibilité inattendue de la chimie cellulaire. Rien non plus dans cette découverte qui prouve que la vie extraterrestre est possible, pas plus que la vie que l’on connaît déjà ne le prouve.

Mais, avant de nous lancer dans des spéculations insensées, avons-nous vraiment des preuves que cette bactérie utilise le phosphore à la place de l’arsenic ? Pour faire court, la réponse est NON. Carl Sagan affirmait il y a déjà longtemps : « Extraordinary claims need extraordinary evidence« . Dans le cas qui nous occupe, non seulement on ne nous offre pas des évidences extraordinaires mais, tout court, des évidences. Toutes les données qui sont montrées dans cet article sont indicatives, mais pas démonstratives. La manière la plus directe de prouver que l’As fait partie intégrante de l’ADN est de purifier l’ADN correctement et de mener des analyses chimiques qui montrent que, effectivement, l’As remplace le P. Cette expérience fondamentale est absente. L’abondance de données produites par des techniques de pointe n’empêche pas que leur interprétation est ambiguë en absence des contrôles appropriés. Par exemple, dans les expériences de µXANES, le contrôle proposé est un spectre in silico, théorique. Il aurait été plus probant de présenter à la place une vraie molécule d’ADN, une molécule d’ADN incubée avec une solution d’arsenic 5 µM et une molécule contenant des vraies liaisons As-O et As-C. Ces contrôles sont absents. La controverse est lancée. La communauté scientifique a réagi vite en exprimant un scepticisme certain à l’annonce de cette découverte. Ainsi, Steve Benner, de la Foundation for Applied Molecular Evolution en Floride affirme dans une déclaration publiée par le même journal Science que « l’utilisation de l’arsenic comme substitut du phosphore n’est pas établie par ce travail ». De la même manière, Rosie Redfield, de l’université de British Columbia, a rapidement réagi sur son blog en présentant quelques critiques pleines de bon sens scientifique.

Y aurait-il d’autres explications possibles aux observations de Wolfe-Simon et collaborateurs ? La réponse est oui. Qui sont ces bactéries « alien » capables de croître en absence de P dans le milieu ? Il s’agit des Halomonas, un genre de bactéries tolérantes aux fortes concentrations de sel et de métaux et qui compte parmi ses membres des organismes adaptés aux conditions d’oligotrophie, c’est à dire, à de concentrations très faibles de nutriments. Il serait tout à fait possible, comme l’évoquent d’ailleurs les auteurs de l’article, que cette souche récupère le phosphore présent à l’état de trace dans le milieu pour fabriquer ses macromolécules. Etant capables d’accumuler de l’As intracellulairement, celui-ci peut simplement s’adsorber sur toutes les macromolécules puisqu’il est en effet ajouté à des fortes doses. Rien dans les observations présentées dans l’article ne permet d’écarter cette possibilité qui devrait pourtant figurer comme étant l’hypothèse nulle à tester.

Quelle image des scientifiques donne une telle annonce ? Au delà des faiblesses d’une étude que le temps et des expériences plus concluantes pourront valider ou réfuter, le problème posé par la publication de cet article a des répercussions sur la crédibilité des scientifiques en général et des astro/exobiologistes en particulier. Une image que, malheureusement, la NASA avait déjà détériorée avec la prétendue découverte d’une vie martienne dont aurait témoigné la présence des supposés microfossiles dans la météorite ALH0084. Une image également dégradée par certains articles publiés par les journaux scientifiques à fort indice d’impact dont l’objectif premier est de maintenir la course aux citations.

Quelle conclusion peut-on tirer ? Revenons à la bonne vieille méthode scientifique, proposons des hypothèses, testons-les de manière à obtenir des validations irréfutables et, seulement alors, proclamons des découvertes, surtout si elles se prétendent extraordinaires. Un mot clé ? Prudence, prudence, prudence…

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