Une expérience légendaire d’évolution bactérienne entre dans une nouvelle ère

Le 24 février 1988, le biologiste évolutionniste Richard Lenski a rempli 12 flacons de milieu de croissance sucré et ensemencé chacun avec Escherichia coli bactéries. Au cours des 34 dernières années, Lenski, de la Michigan State University à East Lansing, et ses collègues ont nourri les cultures bactériennes, rafraîchissant quotidiennement les milieux de croissance et congelé des échantillons pour une étude future tous les deux mois.

L’expérience d’évolution à long terme (LTEE) est devenue une pierre angulaire de la biologie évolutive que les chercheurs continuent d’exploiter pour obtenir des informations. Au cours de leurs 75 000 générations de croissance, les bactéries ont fait d’énormes progrès dans leur condition physique – à quelle vitesse elles se développent par rapport aux autres bactéries – et ont développé des traits surprenants.

Le mois dernier, Lenski et son laboratoire se sont occupés du LTEE pour la dernière fois. Le 12 E. coli les lignées sont maintenant congelées dans des milieux cryoprotecteurs et seront bientôt relancées pour commencer une nouvelle vie dans le laboratoire de Jeffrey Barrick, un biologiste de l’évolution à l’Université du Texas à Austin qui a d’abord travaillé sur l’expérience dans les années 2000 en tant que postdoc dans le laboratoire de Lenski.

Les deux ont parlé à La nature sur le passé, le présent et l’avenir de l’une des plus longues expériences de biologie.

Qu’est-ce qui vous a poussé à commencer l’expérience ?

Richard Lenski : J’aime les grandes questions ouvertes. Je voulais une longue expérience très simple pour voir à quel point l’évolution était reproductible. L’objectif initial était de 2000 générations. Et j’ai pensé que cela méritait le surnom “l’expérience d’évolution à long terme”. Je n’avais aucune idée que cela irait aussi longtemps qu’il a réellement duré – et j’espère que cela durera beaucoup plus longtemps.

Pourquoi avez-vous continué – et aller et aller?

Lenski : C’est en fait une expérience très facile à maintenir. La quantité de travail pour un individu au cours d’une journée typique est peut-être d’une demi-heure. C’est 365 jours par an, du moins en principe, mais la quantité de travail par jour n’est pas énorme.

Et puis, bien sûr, les bactéries faisaient des choses très intéressantes au fil du temps. De nouvelles technologies ont émergé, comme la capacité de séquencer des génomes à moindre coût. Des gens comme Jeff ont rejoint le laboratoire et ont apporté de nouvelles idées et questions. Et les bactéries ont continué à faire des choses intéressantes. J’ai réalisé que cela devait continuer aussi longtemps qu’il était humainement possible.

Combien de générations s’étaient écoulées lorsque Jeff a commencé à travailler sur l’expérience ?

Lenski : Avez-vous rejoint le laboratoire vers 2007 ? C’était probablement autour de 40 000 générations.

Jeffrey Barrick : Ça me semble juste. J’en savais moins sur l’histoire de l’expérience – peut-être moins que beaucoup de post-doctorants et d’étudiants diplômés de Rich. Mais j’étais à un moment de ma carrière où j’étudiais l’évolution au niveau moléculaire, examinant toutes sortes de génomes bactériens. Je voulais étudier l’évolution d’organismes entiers en laboratoire et pouvoir observer l’évolution. C’est juste quelque chose qui me fascine depuis que je suis étudiant.

Cela a-t-il déjà été difficile de poursuivre l’expérience ?

Barrick : Comme Rich l’a dit, c’est assez simple. Il y a des tempêtes de neige majeures et d’autres choses qui se produisent, et d’autres anomalies d’infrastructure qui peuvent parfois rendre la tâche difficile, mais vous pouvez toujours retourner au congélateur, ce qui est une très bonne chose à propos de l’expérience et la rend beaucoup plus faisable que d’autres expériences. Les gens ont essayé des expériences à long terme avec des souris et des mouches et d’autres organismes où il est vraiment difficile si quelque chose tourne mal.

Lenski : L’un des avantages de l’expérience à long terme est que tout est si simple. On travaille avec un milieu chimiquement défini, on peut figer des souches et les faire revivre pour que ça touche du bois, je pense que ça devrait continuer assez bien dans le nouveau foyer.

Que nous a appris l’expérience sur la répétabilité de l’évolution ?

Lenski: Mon parti pris au début de l’expérience était que toutes les souches partiraient dans des directions très différentes. Je pensais que les rôles du hasard et de la contingence dans l’évolution auraient été plus importants qu’ils ne l’étaient. Et au fil des ans, nous avons en fait vu des quantités frappantes de reproductibilité. Ainsi, bien qu’une lignée typique ait amélioré sa condition physique relative par rapport à l’ancêtre de peut-être 70% ou 80%, la variance de la condition physique compétitive entre la plupart des lignées est plutôt de quelques pour cent. Donc, ils ont tous énormément augmenté, mais de manière très similaire les uns aux autres.

Mais ensuite, au fil des ans, nous avons également constaté des divergences assez frappantes entre les lignes. Trente mille générations après le début de l’expérience, l’une des 12 lignées a développé la capacité de consommer du citrate, au lieu de simplement du glucose. Et cela a attiré beaucoup d’attention, et même, dirons-nous, de l’hostilité de la part de certaines personnes sceptiques quant au pouvoir de l’évolution. Et après 75 000 générations, c’est toujours la seule des 12 lignées qui a développé cette capacité.

Y a-t-il de grandes questions sur l’évolution auxquelles vous espérez répondre en allant plus loin ?

Barrick : Pour de nombreuses bactéries qui se sont retrouvées dans des environnements simples et constants – en particulier des endosymbiontes simples qui vivent à l’intérieur des cellules d’insectes – leurs génomes se rétrécissent progressivement avec le temps. Et je dirais que l’une des choses les plus surprenantes pour moi est que ces E. coli ont été dans un environnement très constant, mais leurs génomes n’ont pas beaucoup rétréci.

Lenski : Je pense qu’une partie du problème du rétrécissement du génome est que c’est un processus lent. Trente ans et 75 000 générations, c’est une goutte d’eau dans l’évolution. Donc je suppose que si nous pouvions revenir – dans un million d’années ou quoi que ce soit, la bactérie aurait probablement des génomes extrêmement réduits. C’est une raison pour continuer.

Pourquoi avez-vous décidé de passer le flambeau du LTEE ?

Lenski : Je ne vais pas rester là éternellement. Je pense qu’il est préférable de faire ces choses maintenant, de les planifier soigneusement et de manière réfléchie. Donc ça avait du sens. J’ai 65 ans, et même si je ne prévois pas de prendre ma retraite dans les prochaines années au moins, le laboratoire devient de plus en plus petit. Et l’une des choses importantes pour maintenir les lignes à long terme est ce rythme quotidien. Je pense qu’un laboratoire qui compte une demi-douzaine de personnes ou plus est parfaitement adapté à la couverture des week-ends et des vacances dont bénéficie l’expérience.

J’ai donc demandé à Jeff, peut-être en 2018 ou 2019. J’ai une subvention de la National Science Foundation pour mener l’expérience, et Jeff est maintenant co-chercheur principal à ce sujet. Et lorsque nous avons écrit le renouvellement le plus récent, nous avons établi ce plan pour le transfert et qu’il aurait lieu à peu près maintenant.

Pourquoi Jeff l’a-t-il pris?

Barrick : Je suis un grand partisan de la science ouverte. C’est une excellente ressource que je veux soutenir, partager et continuer. C’est devenu une sorte de pierre de touche commune pour beaucoup d’histoires sur l’évolution bactérienne. Et quelque chose que les gens peuvent prendre dans tant de directions. Je suis ravi de soutenir la communauté.

Êtes-vous anxieux à l’idée de prendre la responsabilité d’une expérience aussi longue ?

Barrick : Comme l’a dit Rich, il n’est pas très difficile de poursuivre l’expérience. Ce qui devient difficile, c’est d’organiser toutes les souches dans le congélateur, de s’assurer que vous pouvez les envoyer aux gens, et toute la paperasserie liée à ce genre de choses.

Je ne veux pas vivre l’expérience où l’expérience vient dans mon laboratoire et est ensuite contaminée, et je la remets deux ou trois ans en arrière. Je veux m’assurer de bien continuer les choses. Mais une grande partie de la pression est relâchée, parce qu’elle est gelée, non seulement dans le labo de Rich et dans mon labo, mais dans des labos en France et ailleurs. Cela soulage la pression que je pourrais causer un problème irrémédiable. Je suis donc plus enthousiaste à l’idée d’éduquer mes collègues sur l’expérience.

Rich, quel est ton conseil pour Jeff ?

Lenski : Restez calme et continuez. Des choses frustrantes vont arriver. Mais l’expérience est assez indulgente. Tant que mon cerveau fonctionnera, je serai vraiment ravi de voir quelles nouvelles expériences dérivées lui et ses collaborateurs génèrent, quelles nouvelles analyses lui et la communauté au sens large génèrent pour donner un sens à ce qui se passe avec les lignes à long terme. La chose la plus importante à laquelle Jeff devra probablement penser dans 20 ou 30 ans, c’est qui sera le prochain ?

Barrick : Votre travail n’est pas terminé, Richard. Vous êtes toujours le meilleur communicateur scientifique et la meilleure personne pour apporter l’expérience d’évolution à long terme aux gens et construire cette communauté. C’est en fait la chose la plus intimidante que personne ne pourrait remplacer à l’heure actuelle. Faire les expériences est très facile.