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UNE EXPLORATION DU SAVOIR 唐善 • 安東
竹 里館
Cabane dans les bambous
Du déchiffrage des génomes à la biologie synthétique : les cellules sont des pièges à information
Antoine Danchin
L'épilogue de La Barque de Delphes le rappelle, la science ne devrait mettre en avant le nom de personne. Il faut peu de temps pour que le nom des savants disparaisse. Comme les artistes, ils peuvent avoir un style, mais leurs découvertes sont aussi bien faites par eux-mêmes que par d'autres, ce qui n'est pas le cas des premiers. Si l'œuvre d'un artiste lui est intimement liée et disparaît irrémédiablement après sa destruction — cela participe à l'horreur des guerres — celle d'un savant réapparaîtra à l'occasion. Présenter ici ce qu'on peut retenir de l'activité d'une vie particulière consacrée à la science n'a pour objet que d'en souligner le style. Les voies de la création de la connaissance ne sont pas tracées, elles se constituent de bribes et de morceaux, où les accidents de l'histoire ont leur part. Comme pour le reste de ce site, cette présentation est fondée sur la lenteur, indispensable pour comprendre la nature des choses. Elle ne s'accommode pas de la pratique—récente—qui se contente d'un survol rapide et sans profondeur, négligeant le savoir qu'apporte la mémoire.
Notre pays, depuis plusieurs décennies hélas, ne s'intéresse plus à la science, laissant à d'autres le soin de faire les découvertes qu'il a la naïveté de penser pouvoir utiliser à son compte. Ce mirage étrange illustre la décadence de ce qui fut, naguère, un grand pays. Mais si l'on ne continue pas à tenter de semer, qui pourra faire la récolte, même maigre ? Un aspect dominant de mon activité est mon refus du fractionnement du savoir en champs clos que les uns ou les autres voudraient se réserver. Savant et philosophe sont les deux faces d'une même monnaie. Au milieu des années 1950, Charles Percy Snow, en Grande Bretagne, publiait le texte d'une conférence qui a fait date (The Two Cultures and the scientific revolution). Il y décrivait ce qui séparaient dans son pays le monde des Lettres et des Arts du monde de la Science. À cette époque, il était encore possible en France de ne pas les séparer et de considérer que raison poétique et raison scientifique étaient deux faces d'une même tentative humaine de se relier consciemment au réel.
Depuis, il ne reste presque plus rien de ce qui faisait la culture générale de l'« honnête homme ». L'idée même d'une référence aux créations produites par nos ancêtres est devenue anathème, comme cela fut anathème durant la Terreur en France ou la Révolution Culturelle en Chine. Il est désormais difficile d'avoir accès, à l'école, aux langues et aux traditions grecques et latines qui nous fondent pourtant (et de même le monde arabe, à son origine, a eu soin de préserver, et de diffuser ce lien qui est à la base de la connaissance scientifique, ce qu'un sinistre avatar de son histoire détruit aussi aujourd'hui). Dix ans de Révolution Culturelle ont fini par faire disparaître beaucoup de ce qui avait été la Chine pendant des millénaires. Reconstituer une élite intellectuelle a pris du temps. Mais la Chine aujourd'hui, après avoir reconnu le rôle clé de la science — inimaginable en France comme on peut le constater dans l'extrême ignorance de notre monde politique, la plupart des personnes qui comptent y ont une formation scientifique — devient un lieu de création du savoir unique et désormais incontournable. Il suffit de lire le déluge des commentaires imbéciles qui inondent tout type d'information, pour être envahi par la crainte d'un avenir bien sombre. L'ignorance généralisée, fondée sur la dictature de l'image et du quotidien et une bienséance totalitaire inspirée d'une Amérique sans Histoire, a conduit à la multiplication des fausses informations, dans un monde grégaire étrange où d'aucuns pensent que la connaissance n'est que le résultat d'un vote, et de surcroît, anonyme.
L'animation de la chimie biologique vient de sa gestion originale de l'information
Existe-t-il un principe physique général expliquant le fait que la chimie biologique semble être « animée », donnant une raison d'être rationnelle à un vitalisme magique toujours prêt à renaître ? Le point de départ que j'ai retenu pour y répondre a été inspiré par la réflexion d'Ivan Schmalhausen, persécuté par Lyssenko durant les pires heures de l'Union Soviétique. Schmalhausen avait fondé son interprétation de la réflexion de Darwin sur le concept de sélection stabilisatrice qui permettait de comprendre l'évolution des espèces sans avoir recours à la pensée magique qui tend à dominer dès qu'on parle du monde vivant. C'est cette idée qui est au cœur de mon exploration.
Pour avancer il fallait orienter mon travail vers une question assez restreinte pour rendre cette quête accessible. Depuis des décennies il était admis que la vie exprime un dialogue entre une hérédité fixée dans les gènes, et la façon dont ils sont exprimés. Est-il possible de découvrir les règles qui expliquent que les gènes fonctionnent ensemble dans la cellule et contribuent à son développement de façon cohérente et reproductible ? Lorsqu'on isole certaines des pistes importantes de cette recherche, on obtient une image qui aboutit à ce que l'on peut considérer comme une « biologie symplectiqu », une biologie où les relations entre objets revêtent une importance conceptuelle bien plus significative que celle des objets eux-mêmes. Comprendre l'incarnation de leur qualité abstraite dans la matière « massive » devient alors une clé déterminante pour comprendre ce qu'est la vie. Mais, comme les atomes utilisés par la vie ont des propriétés spécifiques—reflétées dans le tableau de Mendeleieff—qui n'ont aucune raison de suivre le monde abstrait qu'ils incarnent, une conséquence critique de cette contrainte est que de nombreux aspects de la vie donneront l'impression qu'on a affaire à des anecdotes. De fait, les formes que prend la vie sont très variées. Cela rend donc difficile la découverte des lois sous-jacentes mais n'empêche pas leur existence. Lorsque cela sera compris, l'idée qu'il sera possible de reconstruire la vie, et même de construire des objets matériels dotés de propriétés semblables à celles de la vie à partir de matériaux de construction différents de ceux qui font les organismes vivants existants gagnera du terrain. La biologie synthétique n'est plus un rêve, elle devient réalité. Pour le comprendre, il est alors essentiel d'identifier ce qui rend la vie si spéciale. C'est l'objet des recherches que je mène depuis plus d'un demi-siècle.
Les organismes vivants engendrent une descendance jeune. Pourtant, leur progéniture provient de parents qui ont déjà vieilli. Cela implique que, d’une manière ou d’une autre, les parents ont soit recruté, soit créé une « information » nouvelle. Cela implique comprendre que l'information est une catégorie clé de notre monde physique, à l'instar de masse, énergie, espace ou temps. C'est dans ce contexte qu'en 1961 Rolf Landauer a établi que le calcul est réversible, avec pour conséquence inattendue que la création d'information ne dissipe pas d'énergie. En revanche, réinitialiser le processus utilisé pour créer une nouvelle information demande d'effacer la mémoire de toutes les étapes intermédiaires pour ne conserver que ce qui correspond au résultat du calcul. Cette action est coûteuse en énergie. Charles Bennett, en 1988, a illustré comment le calcul peut être réversible. Pour ce faire, il a construit une opération arithmétique simple, la division, au moyen d'un processus réversible. Il a montré qu'on obtient le résultat d’une division en effaçant les étapes intermédiaires, laissant le reste de la division comme seul résultat « de valeur » du calcul. Au cours de ce processus, l'effacement de la mémoire dissipe de l'énergie. Cependant, avec cette description, Bennett n’expliquait pas comment seul le reste de la division pouvait être séparé des autres bits d'information qu'il fallait effacer. À cette fin, il faut en effet apporter une information complémentaire (contextuelle) : j’ai proposé l'idée que c’est là que la dissipation d’énergie entre spécifiquement en jeu. En séparant deux classes, l'information « sans valeur » et l'information « de valeur » l’énergie sert à prévenir l’effacement du reste de la division—objet de l'opération arithmétique, tout en effaçant le reste de la mémoire. La mémoire effacée peut alors être utilisée pour des calculs ultérieurs. Comment cette distinction est-elle effectuée ? Et si cela se réalise au sein des cellules vivantes, quels sont les agents capables de faire ce tri ?
Je cherche à comprendre ce
processus, après avoir identifié au moins certaines des fonctions qui combinent
les deux étapes clés du principe de Landauer :
1 / Une étape chargée d’information (ou « contrainte »), associée à la capture d’une source d’énergie, ne dissipant pas d’énergie à ce stade, et retenant un quantum d’information (typiquement via la sélection d’une entité spécifique, dans un environnement contenant des entités d'un type voisin). Dans le cas des enzymes qui utilisent l'énergie de la liaison phosphate de l'ATP, cela se traduit généralement par une étape fonctionnelle déclenchée lors de la liaison à un analogue de l'ATP, qui à ce stade n'a pas besoin d'être hydrolysé (une molécule comme l'APPNP ou des molécules apparentées peuvent jouer ce rôle).
2 / Une étape de réinitialisation (ou « relâchée »), au cours de laquelle l'énergie est dissipée (en général, par l'hydrolyse d'une molécule d'ATP ou d'un autre nucléoside triphosphate, en ADP et en phosphate), afin de rétablir le système dans son état fondamental, permettant de relancer le processus.
Les fonctions de ce type—qu'il faut identifier parmi les fonctions critiques codées dans tous les génomes—jouent un rôle semblable à celui des démons de Maxwell (MxD). Plutôt qu'identifier des objets un à un, ces agent servent à former des classes d'objets. Ils peuvent distinguer un substrat parmi d'autres substrats semblables, identifier une position spécifique dans une structure 3D, ou un instant particulier dans un ensemble d'événements successifs. Nous avons ainsi identifié une cinquantaine de fonctions de ce type dans l'ensemble minimal requis pour permettre le développement autonome de la vie cellulaire.
Un article (en anglais) détaille ce travail (pour des compléments détaillés voir le texte anglais de ce résumé) :
Une douzaine d'entre ces fonctions est utilisée pour diriger le repliement correct et l'assemblage de la tête de lecture du message génétique, le ribosome. C'est nécessaire, car les très longs ARN qui constituent cette nanomachine se replient sur eux-mêmes, contraints par le réarrangement des molécules de l’eau qui doivent s'accommoder de leur présence. Le nombre des fausses conformations possibles étant très grand, cela nécessite des agents capables de ne retenir que celles qui sont finalement fonctionnelles, en éliminant ou repliant correctement les autres. Il existe aussi d'autres fonctions permettant de réparer les molécules d'ADN cassées, de calibrer le surenroulement de la double hélice ou d'exporter des composés toxiques hors de la cellule tout en préservant celles qui sont essentielles, etc.
Or, la conséquence la plus importante de cette façon de voir est que ce que nous appelons sélection naturelle devient un principe de la physique. C’est le principe qui consiste à faire de la place grâce à la séparation de classes en dissipant de l’énergie, non pour détruire, mais pour éviter de détruire ce qui est riche en information (fonctionnel). Il faut pour cela des agents spécifiques, qui sachent distinguer ce qui revient à la cellule et à son fonctionnement, de ce qui n'est qu'accessoire ou accidentel, par exemple ce qui est jeune de ce qui a vielli. Ces agents se comportent comme des démons de Maxwell, suivant le principe de Landauer que je viens d'évoquer. Ils sont spécifiques de la vie, et si la biologie synthétique souhaite développer des applications à l'échelle industrielle, il est essentiel qu'elle sache les prendre en compte. Les organismes vivants apparaissent en effet comme des pièges à information. Cela explique l’apparente orientation de la vie vers une complexité (ce mot est très ambigu, mais gardons-le dans son sens intuitif) qui semble souvent croître. La création est non dans le passé, mais continue. Il y a une sorte d’accrétion de l’information autour des organismes vivants. Mais imaginer une usine cellulaire s'accomode mal de l'inventivité intrinsèque qui serait celle de l'usine en question. Il est donc crucial, pour le futur d'applications industrielles, que l'objectif lui-même de l'usine soit géré par un démon de Maxwell. Cette façon de voir est au cœur du projet de la Biologie Synthétique qui vise pour commencer à reconstruire la vie ab initio, avant d'en changer les composants de base.
Cette vision a aussi des conséquences morales. Si l’on donne de la valeur à l’information, alors il faut tenter de lui laisser le plus possible de pistes pour s’accumuler. C’est une profonde justification de la préservation de la biodiversité, mais c'est aussi un précepte esthétique : la beauté vient de l'ouverture vers des formes nouvelles. Bien des questions se posent alors, comme celle de l’existence d’un principe de conservation : l’information, se conserve-t-elle dans sa totalité ? Dans l’affirmative cela voudrait dire que si elle s’accumule quelque part, elle s’appauvrit ailleurs. Bien d’autres hypothèses sont possibles (comme c’était le cas, déjà, dans les relations entre masse et énergie). De même, comme il s'agit de relations entre objets, leurs positions relatives compte, en termes d'information signifiante. Du fait que nous sommes des organismes vivants, nous devrions tenter de suivre le principe indiqué plus haut, à savoir, utiliser toute l’énergie dont nous disposons pour éviter de détruire ce qui est riche en information. Il me semble que notre avenir dépend, très rapidement, du traitement que nous réserverons à cette façon de voir.Avant d’aboutir à cette hypothèse qui met en évidence la cause de l’animation de la vie, les recherches que j’ai développées ont conduit à plusieurs découvertes, résumées ici dans l'intention de permettre au lecteur curieux de comprendre comment je suis parvenu à prendre en compte le principe de Landauer. La plupart de mes travaux sont exposés en anglais, et accessibles via les liens bibliographiques. J'ai cependant indiqué ici quelques travaux en français pour les lecteurs qui ne serait pas familiers avec la langue anglaise.
Un scénario historique détaillé est accessible ici.
Le démon de Maxwell est un agent fictif dont le rôle est à la base de tout processus de sélection, et en particulier celui qui conduit à la formation de classes d'entités. Je suis parvenu à comprendre son importance à la suite de mes recherches inspirées par l'observation de la sélection dans la nature. C'est que, en parallèle avec mes activités expérimentale, j'ai commencé par développer une réflexion formelle sur le concept de sélection en biologie, fondée sur les travaux de Schmalhausen sur la sélection stabilisatrice, avec les mathématiciens Philippe Courrège et Bernard Saintloup. À la suite d'une discussion avec Jean-Pierre Changeux qui m'a demandé d'orienter nos travaux vers la mémoire et l'apprentissage dans le système nerveux, nous nous sommes réunis pendant quatre ans tous les mercredi après-midi à l'IBPC en compagnie de bien d'autres chercheurs, pour discuter et formaliser les causes sélectives de l'organisation de l'architecture cérébrale, puis du système immunitaire. Une part importante de ce travail de modélisation n'a jamais été publiée, mais j'en ai conservé des archives.
Quelques articles à ce sujet ont été publiés en français :
A Danchin, JP Changeux
Apprendre par stabilisation sélective de synapses en développement
In: "L'Unité de l'Homme" (Centre Royaumont pour une Science de l'Homme) Le Seuil (1974): 320-350A Danchin
Stabilisation fonctionnelle et épigenèse: une approche biologique de la genèse de l'identité individuelle
In: "L'Identité" (JM Benoist, ed) Grasset (1977): 185-221
A Danchin
L'inné et l'acquis: une théorie sélective de l'apprentissage
La Recherche (1974) 5: 184-187 (repris dans des ouvrages généraux, traduit en espagnol et en italien)P Courrège, A Danchin
Apprentissage et changement dans le système nerveux central
Colloque de Cerisy-la-Salle, Change (ed. 10/18) (1975): pp 60-73A Danchin
Note critique sur l'emploi du terme phénocopie
In: "Théories du langage, théories de l'apprentissage" (CRSH)
Le Débat Chomsky-Piaget, Le Seuil (1979) pp 109-114 (traduit en anglais en 1981)JP Changeux, P Courrège, A Danchin, JM Lasry
Un mécanisme biochimique pour l'épigenèse de la jonction neuro-musculaire
C R Séances Acad Sci III (1981) 292: 449-453A Danchin
Le pilote fantôme (le cerveau et la conscience)
Le Débat (1982) 21: 123-130A Danchin
Les bases cérébrales du langage
Le Débat (1987) 47: 158-171
et plus récemment mais en anglais :
A Danchin, AA Fenton
From analog to digital computing: Is Homo sapiens' brain on its way to become a Turing Machine? (2022) 10: 796413
Ces questions m'ont conduit, à la demande de Jacques Monod, à devenir l'un des responsables du Centre Royaumont pour une Science de l'Homme. J'ai repris en 1990 l'idée du séminaire, au sein de l'Unité Régulation de l'Expression Génétique, puis au HKU-Pasteur Research Centre Ltd à Hong Kong. Et, depuis cette date, le séminaire se poursuit sous forme électronique tous les jeudi soir, sous le nom collectif de Stanislas Noria (acronyme de Séquence Totale des Acides Nucléiques—STAN, Nouvelle Orientation de la Recherche en Intelligence Artificielle —NORIA, créé en 1989). Malgré quelques tentatives il ne m'a pas été possible d'utiliser systématiquement —à l'instar de Nicolas Bourbaki en mathématiques—ce nom collectif pour signer les publications issues des discussions du séminaire.
Un travail resté obscur comme celui de Schmalhausen peut avoir eu une influence majeure. Comment savoir ce qui a permis à tel ou tel de développer une nouvelle idée : quelle lecture, quelle association, et, de nos jours avec la généralisation des applications de l'Intelligence Artificielle (IA), quelle base de données ? Suivre le devenir d'un mot, d'une expression dans la littérature permet rarement de revenir à la cause qui l'a fait se répandre. Mais cela devient possible aujourd'hui grâce à l'IA. Il est ainsi amusant de voir le sort de l'expression "in silico" ou de l'approche inductive par analyse des « voisinages » qui démontrent très clairement le rôle d'une contribution importante du passage de la vision technologique du séquençage des génomes à une vision réellement conceptuelle.
À partir du milieu des années 1980, j'ai compris qu'il était devenu raisonnable de tenter d'analyser ce même problème non plus au travers de l'étude des gènes individuellement impliqués, mais via la connaissance globale des génomes. À cette occasion, j'ai introduit le concept d'expérimentation “in silico” comme complémentaire de l'expérience in vivo ou in vitro pour l'étude des génomes (ce terme a été utilisé pour la première fois, en 1988-1989, dans ses discussions avec la Communauté Européenne, destinées à justifier conceptuellement la naissance de la génomique). La question s'est alors transformée en une conjecture simple, reposant sur une réflexion de von Neumann à propos des Machines de Turing : existe-t-il une relation entre l'organisation du génome et l'architecture de la cellule ? L'exploration de ces questions requiert une connaissance approfondie du métabolisme, à la base des applications proposées par la société de biotechnologie créée au début de l'année 2010, consacrée à la bioremédiation métabolique, AMAbiotics (renommée Stellate Therapeutics qui a cessé son activité fin 2023). Elle m'a permis, on l'a vu, de comprendre l'importance du principe de Landauer pour expliquer l'apparente animation de la chimie biologique.
On l'a vu, la recherche que j'ai menée est centré sur une question clé : peut-on trouver des principes généraux qui distinguent la chimie biologique de la chimie organique ? En quoi cela peut-il se refléter dans l'organisation des génomes ? C'est autour de ce thème qu'on peut tenter d'isoler quelques contributions illustrant un style de recherche certainement plus gréco-latin qu'anglo-américain. Nos travaux ont ainsi très tôt abordé la question en identifiant des signaux en apparence redondants dans les synthèses macromoléculaires chez les bactéries, une sorte de "ponctuation secondaire" dans l'expression du message génétique.
A Danchin
Règles de réécriture en biologie moléculaire
Change (1974) 19: 10-24
 Dans
sa leçon inaugurale au Collège de France, François Jacob
s'interrogeait sur les analogies possibles entre la structure
du langage écrit, et le programme génétique. Un peu plus tard
il en débattait avec le linguiste Roman Jakobson. Ce thème a
été le déclencheur de mes travaux sur le rôle de la
"ponctuation secondaire" dans le phénomène de traduction du
message génétique, et c'est ce que j'expose dans ce texte de
la revue Change (Seghers), après avoir découvert une
fonction inattendue de la ponctuation secondaire chez
les bactéries. |
 In
his inaugural lesson at the Collège de France, François Jacob
reflected about possibly analogies between the structure of
the written language and that of the genetic programme. A few
years later he discussed the topic with the linguist Roman
Jakobson. This theme has initiated my experimental work on the
role of "secundary punctuation" in the process of translation
of the genetic message. This is discussed in this text of the
journal Change (Seghers), after I uncovered an
unexpected function of secundary punctuation in
bacteria. |
A Danchin
La relecture du message génétique
La Recherche (1977) 83: 989-991
L'accent sur l'analogie linguistique venait de ma contribution décrite plus haut à la réflexion sur les mécanismes sélectifs et en particulier à ceux qui sont à la base de la mémoire et de l'apprentissage.
Pour associer la réflexion conceptuelle à l'étude détaillée de régulations collectives de l'expression des gènes nous avons donc (en 1986) exploré la faisabilité d'un programme de séquençage du génome total d'une bactérie, cela afin d'en analyser les propriétés globales et en particulier la cohérence interne. En collaboration avec Raymond Dedonder, alors directeur de l'Institut Pasteur, nous avons mis en forme ce projet, autour de la génétique de Bacillus subtilis (voir La Barque de Delphes). Ce projet s'est concrétisé sous la forme d'une collaboration européenne et japonaise, coordonnée par Frank Kunst pour l'Europe, et Hiroshi Yoshikawa et Naotake Ogasawara pour le Japon. Notre laboratoire avait en charge la responsabilité scientifique du séquençage et de l'annotation du génome.
La séquence complète a été déchiffrée au début de l'année 1997, et il fallait alors caractériser la fonction de chacun des gènes de ce génome. À cette fin, nous avons constitué un pôle de recherche permettant le développement des études informatiques liées à la connaissance des génomes en général. Cette collaboration s'est concrétisée par la constitution en 1992 d'un Groupement de Recherche, Génomes et Informatique (le GDR1029), co-dirigé avec François Rechenmann (de l'INRIA à Grenoble), et associant une cinquantaine de chercheurs. Cela a permis de valider la contribution de certains apports de l'Intelligence Artificielle pour l'analyse des séquences d'acides nucléiques et des protéines, de développer de nombreuses méthodes d'analyse et de créer une plateforme intégrant à la fois les objets biologiques issus du séquençage et les méthodes d'analyse associées.
Ce qui est aujourd'hui plus que banal était à l'époque une prouesse, et il a fallu dix ans plus tard reséquencer entièrement le génome avec les techniques les plus récentes pour établir une séquence de référence sans erreur. L'ensemble a été entièrement réannoté en 2008, 2013, 2018 et 2023. La base de connaissances SubtiList constituait la référence pour tous les chercheurs qui s'intéressent à ce génome et aux génomes bactériens en général., Hélas et c'est malheureusement un fait général dans le monde, le soutien nécessaire à la perpétuation des bases de données correspondantes n'a pas pu continuer faute de reconnaissance de l'importance de l'annotation des génomes. Cela explique nombre de fausses pistes suivies par des laboratoires du monde entier à la suite d'interprétations erronées de la fonction des gènes, et le phénomène ne cesse de s'amplifier en raison de l'uage actuel des approches de l'IA comme générateurs de textes.
Dans ce contexte, le travail du laboratoire combinait les expériences à la paillasse et l'associait systématiquement à des travaux in silico, pour concevoir de nouvelles expériences plus conceptuelles. Nous explorions une conjecture centrale qui est de savoir si, et dans l'affirmative pourquoi, les gènes ne sont pas répartis au hasard dans les chromosomes. Il va de soi que les nombreux accidents qui arrivent nécessairement au cours de la reproduction conduisent les gènes à se modifier, à disparaître ou à changer de place. On attendrait donc, au bout d'un temps assez long, une répartition plus ou moins aléatoire de ces gènes. Mais l'idée même qui a fondé la génomique conceptuelle, dérivée de la métaphore de programme génétique, est qu'une cellule se comporte un peu à la manière d'un ordinateur, où la machine est bel et bien séparée physiquement des programmes / données qu'elle exploite.
Or John von Neumann au début des années 1960 avait montré que si cela devait être possible, alors il faudrait quelque part une image de la machine, découpée en un réplicateur et un constructeur. Il fallait donc explorer si la cellule et son programme génétique sont un ensemble organisé. De façon plus concrète, l'ordre des gènes dans le génome est-il quelconque ? Et, en parallèle, où se trouvent, dans la cellule, les produits des gènes : les trouve-t-on n'importe où ?
La génomique fonctionnelle et tout ce qui lui est associé a servi de point de départ à la création de l'Unité de Génétique des Génomes Bactériens avec pour thème central l'étude de la corrélation possible entre l'architecture du génome et celle de la cellule. Depuis 2007, je m'intéresse aux relations qui existent entre l'organisation du cœur des génomes bactériens et la perpétuation de la vie, en relation avec la nature de l'information portée par le programme génétique. Ces travaux placent le concept de Sélection Naturelle au sein même des lois de la physique, avec comme loi centrale le principe de Landauer (brièvement décrit plus haut). Existe-t-il, parmi les fonctions essentielles des fonctions qui donneraient à la chimie biologique son aspect « animé» ? Ce que nous avons découvert (en 2019) longtemps après la fermeture de l'Unité, c'est que la cellule possède une « ligne d'assemblage » qui utilise le principe de Landauer au sein d'agents originaux se comportant comme des démons de Maxwell (voir le préambule).
Les travaux du laboratoire ont organisé les données de la connaissance biologique (construction des bases de données GenoList), et analysé la structure des génomes. La découverte la plus surprenante de l'Unité GGB, a été que les gènes essentiels à la vie des bactéries sont situés dans le brin précoce de l'ADN, répliqué directement sans discontinuité. Cela ne s'explique pas par le niveau d'expression de ces gènes (il n'y a pas corrélation avec un haut niveau d'expression), mais s'explique par l'absence de conflit entre transcription et réplication pour ces gènes, car les collisions qui se produisent lorsque les gènes sont situés sur le brin complémentaire doivent souvent conduire à des ARN messagers tronqués, et donc à des protéines tronquées, donc toxiques.
Cela nous a permis d'établir des règles générales dans l'organisation des génomes bactériens (motifs « flous » ubiquistes, répartition des gènes dans les brins directs et complémentaires, localisation des gènes essentiels, formation d'îlots de même biais d'usage du code génétique, etc) et dans la genèse des protéines. L'originalité de la découverte des motifs flous vient de ce qu'ils sont flexibles, en cela que la position exacte des nucléotides conservés dans deux motifs peut varier d'une à deux paire de bases. C'est cette fluctuation, due à la composition locale de l'ADN et à son degré de surenroulement, qui avait rendu ces motifs invisibles jusqu'alors. Leur densité est telle qu'ils recouvrent jusqu'à la moitié du génome. Leur structure suggère qu'ils définissent un réseau très dense d'interactions avec des protéines. Les contraintes correspondantes se manifestent dans les protéines, au point que leur composition en acides aminés est plus affectée par l'organisation du génome et celle du métabolisme que par leur fonction. Ainsi il apparaît que les génomes bactériens sont hautement organisés, au contraire de l'idée fort répandue d'une « fluidité » génomique essentielle. Ces résultats ont des implications considérables quant aux méthodes d'analyse phylogénétique lorsqu'on étudie les séquences protéiques. Bien des protéines « orphelines », qui forment environ 10% des protéines de tout génome d'une nouvelle espèce, sont riches en acides aminés aromatiques. Nombre d'entre elles pourraient représenter le « soi » de l'espèce, en se comportant comme des « gluons » apportant une stabilité supplémentaire aux complexes multiprotéiques de la cellule. Il s'agirait là d'une contribution essentielle à la stabilisation fonctionnelle des structures intracellulaires complexes au travers de régions où des transitions de phase forment des compartiments sans membrane. Plus généralement l'approche développée permet de définir ce qu'est l'essentialité d'un gène par sa persistance dans de nombreuses espèces non seulement en séquence mais en position dans le génome. Cela dit aussi que le produit de ces gènes essentiels fait partie de complexes formés de plusieurs protéines, car on ne peut expliquer aisément la toxicité d'un produit tronqué que par la destruction du complexe qu'il forme (imaginons ce qu'il adviendrait d'un immeuble dont certaines poutres seraient raccourcies !). Plus récemment j'ai repris cette étude en collaboration avec des collègues Chinois, en réannotant proprement le génome de la bactérie « synthétique » Mycoplasma mycoides Syn3.0, et en identifiant les fonctions de plusieurs Spiroplasmes des grands fonds marins. C'est d'ailleurs cette étude qui m'a fait découvrir le rôle du principe de Landauer dans la genèse des fonctions cellulaires minimales.
Le séquençage du génome de Bacillus subtilis était le premier programme de ce type lancé pour des raisons purement conceptuelles. Il nous a permis, en parallèle avec le séquençage du chromosome III de la levure Saccharomyces cerevisiae, de faire la première découverte significative de la génomique : contrairement à l'avis général, bien des gènes étaient totalement inconnus, tant par leur séquence, que par leur fonction ou la structure de leur produit. Ce résultat était totalement inattendu à l'époque (les adversaires des projets de séquençage des génomes avaient affirmé et publié dans les journaux les plus populaires que nous connaissions au moins 95% des classes possibles de gènes). Présenté au premier symposium de génomique organisé par l'Union Européenne à Elounda en Crète, en 1991, il marquait la première découverte majeure issue des programmes de séquençage des génomes. Pour mettre en évidence le retard américain de l'époque — comblé très rapidement car la recherche française a été très vite dépassée en l'absence du soutien des agences de l'État qui en étaient restées à un vision très archaïque de la biologie — Piotr Slonimski nommait alors ces gènes inconnus « EEC genes » pour rappeler à cette occasion la contribution européenne.
Réalisé par un consortium réunissant l'Europe et le Japon, le séquençage du génome de B. subtilis était en même temps que celui du génome de E. coli. La tendance nouvelle de la science, fondée sur la publicité (les auteurs désormais paient pour publier leurs travaux !), ne remarquait pas que, dès 1995, la longueur des fragments continus séquencés dans le génome de B. subtilis dépassait largement la longueur totale des génomes complets séquencés par Craig Venter et ses collègues à l'époque. Ce génome restera pendant cinq ans le seul de son type, pour des raisons biochimiques bien établies par les auteurs du projet.
Par la suite, nous avons organisé, ou participé à plusieurs projets de génomique bactérienne : Leptospira interrogans, bactérie particulièrement dangereuse infectant les paysans qui travaillent dans les rizières (en collaboration avec le Centre de Séquençage de Shanghai) ; Staphylococcus epidermidis , bactérie de l'environnement importante pour les infections acquises en mileu hospitalier (collaboration avec le même Centre et l'Université Fudan) ; Photorhabdus luminescens , pathogène d'insecte extraordinairement virulent, y compris envers les larves de moustique (séquencé par le Laboratoire de Génomique des Microorganismes Pathogènes de l'Institut Pasteur), et pour comprendre le rôle de la contrainte imposée par le froid dans l'organisation des génomes, la bactérie Antarctique Pseudoalteromonas haloplanktis TAC125, en collaboration avec le Genoscope et plusieurs universités internationales (la description détaillée du génome était donc prête pour l'Année Polaire Internationale de 2005) ; Herminiimonas (Cenibacter) arsenicoxydans (GDR 2909 de l'Université Louis Pasteur, Strasbourg) ; et enfin Psychromonas ingrahamii. En quelques années les progrès technologiques tant in vitro qu'in silico ont été extraordinaires, et l'on peut remarquer que ces projets avaient déjà demandé cent fois moins de travail, en termes de personnes/années que celui de B. subtilis.
Toutes ces expériences ont renforcé l'obsevation que le nombre des gènes à la fonction inconnue est immense, même s'il tend à plafonner aujourd'hui. La révolution de la génomique a transformé la biologie et continue à produire des découvertes spectaculaires. Alors que le monde médiatique tend à parler presque exclusivement du « génome humain », on ne pourra comprendre quelque chose qu'au travers de la connaissance de puissants modèles, microbiens en particulier. De fait, l'atome de vie est la cellule et les microbes, s'ils sont bien choisis devraient être essentiels pour comprendre ce qu'est la vie.
L'étude des génomes supposait une analyse globale in silico des propriétés du texte des gènes. Une première analyse de 800 gènes du colibacille a permis de les classer en trois catégories : cœur du métabolisme, gènes exprimés à haut niveau en croissance rapide, et ce qui était nouveau, très nombreux gènes venant d'ailleurs… Il semblait donc que les gènes ne sont pas fixés au sein des organismes, mais qu'une proportion importante s'échange d'un organisme à l'autre (transfert génétique « horizontal »), et ce n'est pas anecdotique, mais très fréquent.
Ce travail précoce de génomique in silico faisait soudain apparaître qu'un sixième au moins des gènes du colibacille est issu d'un transfert génétique horizontal alors que ce processus, jusque là, était considéré comme anecdotique. Il montrait aussi que les gènes antimutateurs proviennent d'un transfert de ce type, suggérant que les bactéries de l'environnement sont la plupart du temps dans un état mutable et se fixent dans un état plus constant lorsqu'elles rencontrent un biotope favorable. La généralité de cette observation sera démontrée quelques années plus tard dans le cas de Bacillus subtilis. Cette découverte est si bien acceptée aujourd'hui qu'elle est désormais considérée comme un lieu commun, mais, de façon amusante, parfois renommée « transfert génétique latéral » par ceux qui veulent occulter son origine.
Les recherches de l'Unité de Régulation de l'Expression Génétique (REG) visaient à identifier les régulations métaboliques assurant la coordination de l'expression des gènes chez deux bactéries modèles Escherichia coli et Bacillus subtilis. Elles mettaient en évidence que l'organisation hiérarchique du métabolisme utilisait certains effecteurs, comme l'acide aminé sérine ou l'AMP cyclique pour coordonner les synthèses macromoléculaires. Le rôle toxique de la sérine a été déchiffré en janvier 2006, grâce à l'annotation de nouveaux génomes et à la découverte de la « persistance » de certains gènes inattendus dans un grand nombre de bactéries. La nature chimique de cette molécule, très réactive lors de sa déshydratation ou de sa désamination, conduit à des incompatibilités mutuelles qui ne peuvent se résoudre qu'au travers de régulations compliquées, variables dans les différentes espèces et qui imposent souvent la compartimentation du métabolisme. Chez le colibacille une partie du processus est contrôlé par le système des phosphotransférases responsables du transport du glucose et du contrôle de la synthèse de l'AMP cyclique.
A Danchin
Contrôles métaboliques hiérarchisés chez les bactéries
In: Production d'agents thérapeutiques par génie génétique (Ed. A Joyeaux, G Leygue, M Morre, R Roncucci, PH Schmelck) Sanofi Recherche et Medsi/Gower (1985) pp 37-43
La découverte de cette implication de l'AMP cyclique m'a conduit à l'analyse génétique puis biochimique des adénylcyclases.
Les adénylcyclases forment plusieurs classes distinctes, reconnues dans une classification internationale que nous avons créée à cette occasion. Celles d'une première classe se trouvent chez les entérobactéries et les familles apparentées, ainsi que les Pasteurellaceae, les Aeromonas sp, ou les Pseudomonadales. Grâce au développement rapide des techniques de clonage et de séquençage des gènes, le laboratoire a d'abord isolé, caractérisé et séquencé le gène complet de l'adénylcyclase d'E. coli en collaboration étroite avec l'Unité de Biochimie des Régulations Cellulaires dirigée par Agnès Ullmann (1927-2019), puis chez d'autres organismes. Cela a permis de comprendre certains aspects structuraux de ces protéines essentielles et de la régulation de leur expression, puis à en développer l'étude comparative.
Les cyclases toxiques constituent une deuxième classe de ces enzymes, trouvées chez deux agents pathogènes très éloignés, Bordetella pertussis —agent de la coqueluche— et Bacillus anthracis —agent du charbon, bien connu depuis les travaux de Pasteur et de Koch. Inactives chez la bactérie, elles sont activées par la calmoduline de l'hôte. J'ai alors proposé de transférer une banque de gènes de ces bactéries dans un colibacille où le gène d'une calmoduline animale serait exprimé. Cela a permis d'isoler et de caractériser les gènes des cyclases toxiques de ces deux bactéries hautement pathogènes. Cette technique originale (clonage à partenaires multiples, qui a fait l'objet d'un brevet en 1989), est l'antécédent conceptuel et expérimental repris dans les techniques dites du « double hybride ». Extrêmement actives, ces toxines ont été caractérisées par Octavian Bârzu (1938-2010) et ses collègues. La sécrétion de la cyclase de l'agent de la coqueluche s'est révélée particulièrement fascinante, car elle intègre, via la formation d'une protéine bifonctionnelle, à la fois adénylcyclase et hémolysine, un mécanisme de sécrétion original connu chez beaucoup d'organismes pathogènes, et dont le parangon est l'hémolysine du colibacille. Ce travail, dès 1988, m'a posé un certain nombre de problèmes éthiques (récemment remis au goût du jour sous le nom de « bioterrorisme ») discutés dans :
A Danchin
et en anglais :
Doute et création
In: "La Responsabilité, la condition de notre humanité"
Autrement (1994) 14:249-266A Danchin
Not every truth is good. The dangers of publishing knowledge about potential bioweapons
EMBO Rep (2002) 3: 102-104
Il existe aussi une troisième classe, d'abord identifiée chez la levure, et ensuite chez des bactéries distantes. Cette classe omniprésente, qui comprend les adényl- et guanyl-cyclases des eucaryotes supérieurs (découvertes ailleurs dans le monde) est antérieure à la séparation phylogénétique des ancêtres des eucaryotes et des bactéries. Enfin, une quatrième classe, reliée au produit de gènes d'Archées, a été découverte chez Aeromonas hydrophila, et caractérisée au laboratoire. Il s'agit là d'un cas nouveau de convergence évolutive au travers d'une activité « parasite ».
L'ensemble des premiers travaux sur les adénylcyclases a été résumé une revue, référence internationale pour la classification des adénylcyclases, sous la forme, initialement, de trois classes d'origine évolutive différente (convergence évolutive) : Classe I, cyclases des entérobactéries et bactéries apparentées ; Classe II, cyclases toxiques sécrétées ; Classe III, classe “universelle” présente aussi bien chez les bactéries que chez les eucaryotes supérieurs. Une quatrième classe, elle aussi d'origine phylogénétique différente, a été découverte dans l'Unité quelques années plus tard. La classe “universelle” (classe III) des cyclases regroupe adényl- et guanyl-cyclases, et une appproche sélective appropriée permet de passer de l'une à l'autre activité (il s'agit là d'une des premières expériences où l'étude moléculaire du changement de substrat d'une enzyme a été menée à bien).
En marge de ces activités, la comparaison du produit des gènes de protéines impliquées dans la synthèse de la cystéine et du tryptophane a ouvert des perspectives intéressantes sur l'origine de certaines voies métaboliques. Ces premiers travaux ont motivé un investissement notable en temps de recherche informatique pour l'analyse des séquences. Ils ont aussi conduit à l'un des thèmes centraux de l'Unité de Génétique des Génomes Bactériens, l'étude du métabolisme du soufre. Nous avons ainsi mis au jour de nouvelles voies métaboliques chez B. subtilis et mieux caractérisé la voie de recyclage de la méthionine, qui est désormais bien comprise (article de revue princeps en 2018).
L'analyse du métabolisme du soufre mis en évidence qu'il existe un lien significatif entre les questions d'origine, de l'origine de la vie en particulier, et ce qu'il est possible de comprendre à partir des génomes actuels.
Enfin, l'année 2003 avait vu se développer l'épidémie de pneumonie atypique (Syndrome Respiratoire Aigu Sévère) et j'ai pensé nécessaire de participer a la lutte contre cette maladie, d'une part par des études théoriques sur les génomes des coronavirus (au HKU-PRC) et d'autre part au travers d'une étude épidémiologique permettant de se faire une idée de l'origine de la maladie et de son développement (en collaboration avec l'INRIA et le Département de mathématiques de l'Université de Hong Kong). Le modèle proposé, celui d'une double épidémie, causée par un virus initial inoffensif, qui mute chez certains patients pour conduire au phénomène de SRAS cadre bien avec les observations sur le terrain. Ce modèle suggère que le virus initial pourrait rester endémique et conduire à la résurgence occasionnelle de la maladie. Il a aussi l'intérêt de suggérer que l'infection causée par le premier protège probablement contre le SRAS, ce qui indique qu'un vaccin serait possible (du moins un vaccin ayant un effet significatif, mais peut-être durant un temps limité). Ces travaux sont revenus sur le devant de la scène avec l'apparition en 2012 du nouveau coronavirus, MERS-CoV. Ces études ont été complétées par une analyse de nouveaux modèles possibles pour expliquer les épidémies de maladies à prion, en imaginant une transmission vectorielle inattendue.
Cela explique que, lorsque la pandémie de COVID-19 s'est déclarée nous ayons consacré une partie importante de notre activité à l'étude du virus SARS-CoV-2 .
Enfin, notre découverte de la nécessité d'une coordination de la croissance non-homothétique de la cellule, qui conduit à une pression métabolique forte pour rendre les génomes longs, plutôt que courts, donne une explication fonctionnelle naturelle au transfert génétique horizontal, qui permet par ailleurs à la cellule d'extraire une image partielle de son environnement et de l'intégrer en son sein.
L'étude du démarrage du processus de traduction, qui combine deux signaux chez les bactéries (un signal métabolique d'étiquetage de la première méthionine et la structure d'un ARN de transfert particulier) m'a conduit, à la suite d'une approche essentiellement génétique, à la découverte d'une anomalie ubiquiste du métabolisme couplant réplication, transcription, traduction et division cellulaire. Les mutants affectant ce processus impliquaient la terminaison de la transcription, le démarrage de la traduction, le couplage strict (« stringent ») entre ces processus, le métabolisme des dérivés à un carbone, la production d'AMP cyclique, une protéine longtemps considérée comme une histone bactérienne, la protéine H-NS et la voie de synthèse des acides aminés branchés. Cette liste à la Prévert, produite par l'expérience même, explique les fils suivis, un à un, pour tenter de démêler l'écheveau de ces interactions surprenantes, enfin compris en janvier 2006.Quelles peuvent être les pressions de sélection conduisant à cette organisation ? Une première estimation montre que, chez les bactéries, la traduction organise la répartition des gènes dans le chromosome. Connaissant alors les gènes persistants chez les bactéries, nous avons exploré la façon dont ils restent rassemblés au cours de l'évolution. Le résultat de cette étude donne une image fascinante de l'organisation des génomes, où l'on découvre que les gènes du cœur des génomes, les plus anciens, ont évolué selon un schéma qui illustrerait parfaitement un scénario de l'origine de la vie. J'ai pour cette raison appelé cet ensemble le paléome.
En parallèle avec cet ensemble qui permet la vie, un autre ensemble, que j'ai nommé le cénome, permet l'occupation d'une niche particulière, et ce sont les gènes correspondants qui s'échangent par transfert horizontal.
C'est l'étude du paléome qui révèle la présence d'un grand nombre d'agents se comportant comme des démons de Maxwell et président à la ligne d'assemblage de la cellule, lui donnant l'aspect « animé » qui caractérise la vie.
Une loi nouvelle, découverte à partir de l'étude du comportement du
virus SARS-CoV-2 a permis, en 2020, de découvrir une
loi de coordination de la croissance non-homothétique de la cellule
(cytoplasme à trois dimensions, membranes à deux, et génome à une
dimension) qui met en jeu, dans tous les organismes, la synthèse du
CTP comme métabolite coordonnateur central.
L'organisation fonctionnelle des gènes dans le génome doit resulter de la pression de sélection due à des principes physico-chimiques simples. Outre les causes physiques comme la structure de l'eau (dont l'étude commence avec celle du génome de P. haloplanktis mentionnée plus haut), j'ai fait la conjecture simple que les gaz et les radicaux libres, en raison de leur extrême facilité de diffusion, jouent un rôle de premier plan dans la compartimentation cellulaire, et pourraient donc être à l'origine d'une partie de l'organisation des gènes correspondants au sein du génome. Le métabolisme de l'atome de soufre étant particulièrement sensible à ces gaz et radicaux, il est important d'en comprendre la nature et la structuration. Une première étude a montré l'organisation en îlots du métabolisme du soufre et une analyse détaillée, principalement réalisée avec ses collègues lors de la création du HKU-Pasteur Research Centre à Hong Kong a permis de découvrir l'ensemble des détails génétiques d'une voie métabolique jusque là largement ignorée, celle de la récupération de la méthionine (“methionine salvage pathway”). Plusieurs travaux ont fait la synthèse des activités catalytiques impliquées dans ce cycle ubiquiste (il est aussi présent chez l'homme et chez les plantes) dont une particularité est qu'il recrute systématiquement des protéines de structures diverses pour conduire à la réalisation du cycle complet. L'une de ces protéines est l'ancêtre de la ribulose-phosphate carboxylase/oxygénase (RuBisCO), l'enzyme la plus abondante de la planète (cela ouvre de fascinantes questions sur l'origine des fonctions enzymatiques). Ce cycle très original a la particularité de conduire dans certaines conditions, nous l'avons montré, à la production de monoxyde de carbone. Comme ce cycle existe chez l'homme, cela ouvre des perspectives intéressantes sur la possibilité de nouveaux contrôles par CO, médiateur gazeux différent de l'oxyde d'azote dans le système immunitaire ou le système nerveux.
Une autre conséquence de l'exploration du métabolisme du soufre a été la mise au jour d'un métabolisme souterrain, ou paralogue. On reconnaît désormais que les enzymes ne peuvent avoir une spécificité absolue, et interagissent avec toutes sortes de substrats. Il en découle un grand nombre d'activités parasites dues à cette permissivité (« promiscuity » en anglais). Ainsi, en parallèle avec le métabolisme central on trouve de très nombreux métabolites qui ressemblent aux métabolites normaux. Naturellement, on peut attendre qu'au cours de l'évolution ces métabolites nouveaux soient pris en compte. Et cela se fera sans difficulté à partir de variants des enzymes dont la fonction est bien établie pour le métabolisme central. Il se développe alors un métabolisme paralogue, que nous avons illustré avec le métabolisme de la S-méthyl-cystéine chez B. subtilis. Les voies de ce type sont très nombreuses et se propagent rapidement par transfert génétique horizontal. On peut alors comprendre qu'il est essentiel pour la cellule, à chaque fois qu'elle doit privilégier une fonction particulière, d'aller plus loin que la simple reconnaissance, et d'établir un processus spécifique de discrimination. C'est là, à nouveau, qu'apparaît la nécessité du principe de Landauer, qui permet à la cellule d'identifier avec rigueur ce qui lui appartient en propre et ce qui ne lui appartient pas. Cette contrainte est cruciale pour le développement à grande échelle de la biologie synthétique.
La biologie nous concerne tellement que nous n’y prenons garde. Aussi nous faut-il oublier de croire que la vie est au centre du monde. La biologie doit donc faire sa révolution copernicienne. Cela nous replace dans le réel, celui qu’explore, par exemple, la physique. Masse, énergie, espace, temps, sont les quatre catégories usuelles de la nature. Mais la biologie s’en accommode mal. Un peu de matière (masse et inertie) et d’énergie, un peu d’espace, un peu de temps et pourtant, si le lecteur me suit jusqu’ici, c’est que quelque chose se passe en lui. Faute de trouver un meilleur mot, j’emploie celui du tout venant. Nous sommes, en ce moment même où vous me lisez, en train d’échanger de l’information. Ce que nous devons développer est la conjecture que cette « information », encore bien mal définie est une authentique catégorie de la nature, à l’instar des quatre catégories standard. Cette conjecture a de très fortes implications. Elle change complètement la place de la biologie dans les sciences, en la plaçant très près de la mathématique. L’analyse des génomes, celle que j’ai nommée in silico il y a de près de vingt ans, devient alors un pan essentiel de l’étude de la vie.
Un dernier aspect de mon activité concernait la réflexion épistémologique, l'éthique et la communication du savoir. Cela a été, entre autres, concrétisé par un premier livre sur la biologie moléculaire Ordre et Dynamique du Vivant, paru en 1978 et qui faisait la synthèse des cours donnés au cours des quatre années précédentes à l'École Polytechnique. Un second livre, L'Œuf et la Poule, consacré au code génétique, est paru en 1983 et le troisième, Une Aurore de Pierres, paru fin 1990, tente d'éclairer de façon nouvelle la question des origines, en la reliant aux projets actuels de séquençage de génomes entiers. Un quatrième livre, La Barque de Delphes, traite de ce que dit le texte des génomes (1998). D'une façon générale ma position épistémologique, tout en insistant sur l'importance primordiale de l'expérience, est éloignée de l'empirisme radical anglo-américain et développe certains aspects de la tradition scientifique grecque, plus orientée vers la recherche d'explications que vers la simple collection des faits.
