La vie dans le froid : comment les microbes se développent – et meurent – à des températures extrêmes

Décrypter les facteurs qui entraînent la mort cellulaire à haute température et identifier ce qui permet à certaines bactéries de mieux supporter la chaleur extrême que d'autres est effectivement un défi. La raison principale est que la température impacte pratiquement tous les composants et processus cellulaires – l'ADN, la structure des protéines, la membrane cellulaire, etc. – ce qui rend difficile la compréhension de l'événement ou des événements qui conduisent finalement à la mort de la cellule.

Le cytoplasme des cellules est rempli de macromolécules. Parmi elles, les protéines sont à la fois les plus abondantes et les plus sensibles à la température. « La diffusion des protéines à travers le cytoplasme (la dynamique du protéome) est essentielle au métabolisme cellulaire ; elle joue un rôle fondamental dans la croissance cellulaire, la division cellulaire et les réactions biologiques essentielles, et elle est optimisée pour maintenir une fluidité fonctionnelle aux conditions de travail de l'organisme », explique Beatrice Caviglia (Université de Pérouse, Italie), première auteure de l'étude désormais publiée.

La bactérie Escherichia coli est couramment présente dans l'intestin des humains et d'autres organismes à sang chaud. Lorsque la température augmente, la diffusion des protéines ralentit de manière prononcée à des températures proches de la mort cellulaire, coïncidant avec les premiers stades du dépliement des protéines dû à la chaleur. Des chercheurs ont récemment démontré que le dépliement d'une petite fraction seulement des protéines suffit à perturber la diffusion (en créant des agrégats étendus et en provoquant une viscosité élevée), entraînant ainsi la mort cellulaire.

« Une question fondamentale se pose : à mesure que la température augmente, le lien entre le dépliement des protéines, le ralentissement brutal de leur diffusion et la mort cellulaire est-il un phénomène universel, également valable pour les organismes qui sont adaptés à des niches thermiques très différentes ? » résume Fabio Sterpone (Université Paris Cité et CNRS).

Une différence frappante a également été observée. Tant pour A. aeolicus que pour E. coli, le ralentissement brutal de la diffusion des protéines a été constaté à proximité de leurs températures respectives de mort cellulaire. En revanche, pour P. arcticus, la diffusion des protéines ne chute brutalement que bien au-dessus de la température de mort cellulaire. En d'autres termes, lorsque le dépliement des protéines commençait à se produire et à compromettre leur diffusion, la cellule était morte depuis longtemps – probablement en raison de la perte d'activité biologique d'enzymes clés.

Chez P. Arcticus, adapté aux conditions très froides, la mort cellulaire se produit à une température inférieure de 20 degrés à celle à laquelle le dépliement des protéines commence. L'arrêt dynamique et le dépliement du protéome sont donc découplés de la viabilité métabolique de la cellule », résume Alessandro Paciaroni, de l'Université de Pérouse (Italie), l'un des auteurs principaux de l'étude. Les résultats de cette étude remettent en question la vision commune selon laquelle les protéines, leur stabilité et la viabilité de la cellule sont étroitement liées. Dans le cas de P. arcticus, quelque chose cesse de fonctionner et la cellule meurt même sans dépliement des protéines. « Ces découvertes redéfinissent la relation entre la dynamique cytoplasmique, la stabilité du protéome et la survie bactérienne », conclut Paciaroni.

L'étude fournit des informations précieuses sur la vulnérabilité thermique des différentes familles bactériennes et ouvre plusieurs pistes de recherche futures : quels sont les compromis évolutifs liés à la thermosensibilité des psychrophiles ? Qu'est-ce qui a causé la mort cellulaire et les enzymes impliquées peuvent-elles être stabilisées ? De telles études sont essentielles pour éclairer les stratégies de conservation des aliments, de bioremédiation et d'utilisation durable des microbes adaptés au froid en biotechnologie.