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Que la lumière fût, De la bioluminescence à l’optogénétique

Que la lumière fût, De la bioluminescence à l’optogénétique
De tous temps, l’homme a utilisé le feu pour s’éclairer et ce n’est que relativement récemment que l’éclairage électrique est venu remplacer la flamme. Et pourtant, depuis très longtemps de nombreux organismes vivants, bactéries, vers, insectes, champignons, méduses, poissons, etc., produisent de la lumière de manière autonome et l’utilisent pour se repérer dans l’obscurité, communiquer, attirer des partenaires sexuels ou des proies, se camoufler ou repousser les prédateurs. La recherche fondamentale sur les mécanismes impliqués dans le processus de production lumineuse a révolutionné la biologie !

Quelle est la différence entre la lumière du soleil et celle d’un ver luisant?

            Le soleil, comme la bougie ou une ampoule à filament nous éclairent tout en chauffant. Ce sont des sources de lumière chaude. Le ver luisant émet de la lumière mais sans chauffer.  C’est  une émission de lumière froide qui ne repose pas sur une variation de température. Le physicien allemand  Eilhard Wiedemann, (1852-1928) lui donna en 1888 le nom de luminescence (du latin lumen, lumière). Ce phénomène est décrit depuis l’antiquité mais ne sera vraiment scientifiquement compris qu’au milieu du XIXe siècle et encore faudra-t-il attendre les années 1920-1930 pour comprendre qu’il existe différents types de luminescence, grâce en particulier aux travaux de deux physiciens français Jean Perrin (1870-1942) et son fils Francis (1901-1992). Suivant le type d’énergie transformée en lumière (type d’excitation), on distingue toutes sortes de luminescence dont les deux principales sont la chimiluminescence et la photoluminescence1 (qui inclut la phosphorescence et la florescence). Mais, au delà de ces noms, ce qui nous intéresse ici avant tout est la bioluminescence, un terme générique utilisé pour désigner l’émission de lumière par les organismes vivants.

 

            La luminescence de bactéries,  de vers luisants, de crustacés ou de méduses : même combat

            Le lampyre ou ver luisant commun (Lampyris nocticula) émet la nuit un signal lumineux clignotant de couleur verte, signalant ainsi sa présence à ses partenaires sexuels. Ce coléoptère constitue probablement l’exemple le plus fameux d’un organisme terrestre bioluminescent. Dans ce cas et dans bien d’autres organismes vivants luminescents, la luminescence repose sur la conversion de l’énergie chimique en énergie lumineuse. C’est la raison pour laquelle on l’appelle chimiluminescence. Ce n’est pas en travaillant sur le ver luisant mais sur des bactéries que le biologiste Raphael Dubois (1849-1929) comprit comment cette luminescence est produite. Il décrivit en 1887 le fruit de ses études  et montra que la lumière émise reposait sur la présence, dans les organismes bioluminescents, de deux molécules solubles dans l’eau, l’une, une enzyme, la luciférase, et l’autre son substrat, la luciférine (du latin Lucifer, lux et ferre, celui qui porte la lumière). En présence de dioxygène (O2), le complexe luciférine/luciférase émet de la lumière.  A l’exposition universelle de 1900, Dubois montra que 6 bouteilles de 4,5l remplies de bactéries luminescentes éclairaient suffisamment une pièce pour qu’un visiteur y lise son journal sans difficulté et … sans risque d’explosion !

            Plus tard, le zoologiste Edmund Newton Harvey (1887-1959) étudia cette fois-ci des crustacés luminescents, Vargula hilgendorfii, des ostracodes de la famille des Cyprinidés qu’il avait admirés lors de sa lune de miel au Japon. Il découvrit alors qu’il y avait différents types de luciférase et de luciférine et qu’elles n’étaient pas interchangeables. Mais bien que leur nature chimique diffère, la luminescence  observée chez le ver luisant, les bactéries ou les crustacés luminescents résulte toujours d’une même réaction chimique au cours de laquelle une molécule de haute énergie contenant un grand nombre de doubles liaisons conjuguées est convertie en présence d’oxygène en une molécule de plus faible énergie et la différence d’énergie est libérée sous forme de lumière visible.

Figure 1 la luciférase catalyse l’oxydation de la luciférine.
Le complexe oxyluciférine subit un transfert d’énergie qui entraine l’émission de photons, c’est à dire de lumière

 

Organismes bioluminescents et applications

            Outre les bactéries, les vers ou les crustacées mentionnés plus haut, de très nombreux organismes vivants sont bioluminescents, y compris des champignons (Omphalotus, Mycena, Panellus). Et en matière d’abondance, la palme revient sûrement aux  organismes marins (plancton, poissons, calmars, méduses, …). Le grand naturaliste explorateur des fonds marins William Beebe, qui inventa la bathysphère (1877-1962), estimait qu’au delà de 400 m de profondeur, niveau auquel plus aucune lumière diurne ne parvient, 95% des poissons étaient bioluminescents ! Certains poissons lumineux (Kryptophanaron alfredi, Photoblepharon palpebratum ou Anomalops katoptron) ne le sont pas par eux-mêmes mais ils abritent dans une poche près de leurs yeux des bactéries bioluminescentes qui, tels de puissants phares, leur permettent de voir en profondeur.      

Selon l’organisme considéré, la bioluminescence pourrait desservir plusieurs fonctions : éclairage, attraction des proies, protection contre les prédateurs et communication, en particulier entre les partenaires lors des parades sexuels, comme nous l’avons mentionné plus haut pour les vers luisants. Mais nous sommes encore loin d’avoir compris la subtilité de ces rôles. A quoi sert par exemple la bioluminescence du champignon Armillaria ou celle de la bactérie du genre Vibrio… Parfois, au lieu d’émettre de la lumière, certains organismes marins produisent des protéines qui l’absorbent. C’est le cas des calmars qui possèdent dans leur peau une protéine, la réflectine, qui leur permet de changer de couleur et de s’adapter à leur environnement, voire de se camoufler. Cette propriété a été utilisée par des chercheurs pour construire un biofilm invisible à la lumière infrarouge. Les objets ou les personnes qui en sont recouverts deviennent ainsi invisibles à la vision infrarouge !

            Les recherches sur la bioluminescence de la méduse ont conduit à l’identification de deux protéines d'intérêt majeur au plan scientifique. La première, l'aéquorine, est une luciférase qui tire son nom de la méduse dont on l’a extraite, Aequorea victoria. L’aéquorine se lie à « sa » luciférine (appelée dans ce cas la coelanthérazine) en présence d’oxygène mais aucune lumière n’est émise sauf en présence d’ions calcium. D’autres enzymes fonctionnant comme l’aéquorine ont été découvertes et constituent la famille des photoprotéines. Les biologistes cellulaires les utilisent pour étudier les activités cellulaires liées au calcium. Contrairement à ce qui se passe dans un tube à essai où l’aéquorine activée émet une lumière bleue (avec un pic à 470nm), in vivo, dans la méduse, la lumière émise est verte (avec un pic à 510nm). C’est le chimiste et biologiste japonais Osamu Shimomura (1928-) qui en découvrit la cause en 1969. En fait, cette méduse contient une autre protéine que Simomura isola et nomma  GFP pour « green fluorescent protein ». Elle absorbe par transfert d’énergie  l’énergie émise par l’aéquorine et émet alors en vert. Ses découvertes ont révolutionné la biologie et ont valu à Shimomura, Martin Chalfie et Roger Tsien le prix Nobel de chimie en 2008 pour leurs travaux sur la GFP et leurs très nombreuses applications. La GFP est utilisée pour visualiser à l’aide d’un microscope à fluorescence de nombreux phénomènes biologiques dans l'organisme de manière non invasive et en temps réel. Par exemple, lorsqu’elle est couplée à une protéine donnée, la GFP est utilisée comme rapporteur de cette protéine et permet ainsi d’en suivre la localisation dans une cellule ou dans un organisme tout au long du développement. 

Figure 2  : Aequorea victoria, vivant sur la côte ouest de l'Amérique du nord. Les cellules situées en bordure de leur ombrelle contiennent l'aequorine

 

 

Figure 3 : Le chercheur Osamu Shimomura
Figure 4 : Embryon de poisson zèbre © CNRS, CBD. La GFP de cet embryon transgénique de poisson zèbre "colorie" son système nerveux

 

 

Brainbow mice

            Par la suite, plusieurs variantes de la GFP ont été construites et d’autres protéines fluorescentes ont été extraites d’autres organismes. Les scientifiques sont maintenant à la tête d’une panoplie de protéines fluoresçant dans le vert (GFP), le jaune (YFP), le bleu (CFP), le rouge (RFP) qui leur permettent d’étudier des processus complexes. Par exemple, des neurobiologistes de l’université de Harvard ont fabriqué en 2007 des souris dont chacune des dizaines de millions de cellules du cerveau (brain, en anglais) avait sa propre teinte parmi toutes les nuances de l’arc en ciel (rainbow, en anglais, d’où le jeu de mot brainbow mice). Cette stratégie permet aux nombreuses équipes de recherche qui l’ont appliquée depuis à d’autres organismes modèles (la mouche drosophile, le nématode C. elegans, le poisson zèbre) de mieux comprendre comment les neurones sont connectés et l‘impact de ces connections sur des activités mentales variées et sur le comportement.

Figure 5 : Brainbow Mice

 

L’optogénétique ou comment manipuler les neurones avec la lumière

            Ce terme fut inventé en 2006 par Karl Deisseroth, un jeune chercheur californien en neurosciences qui a « emprunté » à l’algue verte microscopique Chlamydomonas reinhardtii une de ses protéines photosensibles, la channelrhodopsine, et l’a exprimée dans des neurones de souris. A sa grande surprise et satisfaction, cette protéine permettait de contrôler l’activité neuronale par la lumière ! Ce terme s’appliquait alors exclusivement aux neurosciences. Depuis, il désigne l’utilisation d’outils moléculaires permettant en temps réel et par simple illumination, d’observer et de manipuler (activer, inhiber) des structures cellulaires spécifiques. Cet outil a été adopté de manière fulgurante par des centaines de laboratoires à travers le monde et bénéficie ainsi d’améliorations constantes. Elles visent en particulier à diversifier les outils photogénétiques; augmenter la diversité de leurs propriétés spectrales ; augmenter la précision spatiale et temporelle du contrôle des neurones; contrôler indépendamment des groupes distincts de cellules à l’aide d’outils sensibles à des longueurs d’onde différentes. L’ensemble de ces améliorations offre autant de pistes pour le traitement de certaines maladies du système nerveux pour lesquelles il n’existe pas de solution thérapeutique satisfaisante. De nombreuses études utilisant l’optogénétique visent à mieux comprendre le fonctionnement du cerveau.  On sait d’ores et déjà, chez la souris, dans des modèles mimant des maladies humaines,  restaurer des souvenirs ou au contraire effacer un souvenir traumatisant (pour en savoir plus : https://lejournal.cnrs.fr/nos-blogs/aux-frontieres-du-cerveau/loptogenetique-quand-la-lumiere-prend-les-commandes-du-cerveau). 

 

 


1 la photoluminescence est un phénomène physique au cours duquel l’émission de lumière résulte de l’absorption de lumière. Il peut lui-même être subdivisé en deux, la fluorescence et la phosphorescence : selon que l’émission est immédiate et transitoire (10-8 seconde), on parle de fluorescence (c’est le cas de la GFP décrite dans le texte). Si elle est retardée et dure longtemps (plus d'une milliseconde), on parle de phosphorescence. La matière phosphorescente continue à émettre de la lumière tant que les électrons qui ont été excités ne sont pas tous retournés, à leur niveau d’énergie initial, ce qui se produit lentement. C’est le cas de certaines montres ou des moutons ou encore des étoiles phosphorescentes qui décorent le plafond des chambres d’enfant.


Article rédigé par Dominique Morello, chercheuse en biologie moléculaire au CNRS, ex-chargée de mission au Muséum de Toulouse

Mis en ligne le 5 décembre 2017


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