Comment les méduses se sont adaptées à la vie au fond de l’océan

Le fond de l’océan n’est pas hospitalier. Il n’y a pas de lumière ; la température est glaciale ; et la pression de toute l’eau au-dessus vous écrasera littéralement. Les animaux qui vivent à cette profondeur ont développé des adaptations biophysiques qui leur permettent de survivre dans ces conditions difficiles. Quelles sont ces adaptations et comment se sont-elles développées ?

Itay Budin, professeur adjoint de chimie et de biochimie à l’Université de Californie à San Diego, s’est associé à des chercheurs de tout le pays pour étudier les membranes cellulaires des cténophores (« gelées en peigne ») et a découvert qu’elles avaient des structures lipidiques uniques qui leur permettent de vivre sous une pression intense. Leurs travaux sont publiés dans Science.

S’adapter à l’environnement

Tout d’abord, bien que les cténophores ressemblent à des méduses, elles n’en sont pas étroitement apparentées. Les cténophores font partie de l’embranchement des Ctenophora (prononcer té-no-pour-a). Ce sont des prédateurs qui peuvent atteindre la taille d’un ballon de volley et qui vivent dans les océans du monde entier et à différentes profondeurs, de la surface jusqu’aux profondeurs marines.

Les membranes cellulaires sont constituées de fines couches de lipides et de protéines qui doivent conserver certaines propriétés pour que les cellules fonctionnent correctement. Bien que l’on sache depuis des décennies que certains organismes ont adapté leurs lipides pour maintenir leur fluidité dans des conditions de froid extrême (on parle alors d’adaptation homéovisqueuse), on ne savait pas comment les organismes vivant dans les profondeurs marines s’adaptaient à la pression extrême, ni si l’adaptation à la pression était la même que l’adaptation au froid.

Budin étudiait l’adaptation homéo-visqueuse chez les bactéries E. coli, mais lorsque Steven Haddock, scientifique principal au Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI), a demandé si les cténophores avaient la même adaptation homéo-visqueuse pour compenser la pression extrême, Budin a été intrigué.

Les organismes complexes possèdent différents types de lipides. Les humains en possèdent des milliers : le cœur en possède des différents, les poumons, qui sont différents de ceux de la peau, etc. Ils ont également des formes différentes : certains sont cylindriques, d’autres en forme de cône.

Pour déterminer si les cténophores s’adaptaient au froid et à la pression par le même mécanisme, l’équipe devait contrôler la variable de température. Jacob Winnikoff, auteur principal de l’étude qui a travaillé à la fois au MBARI et à l’UC San Diego, a analysé des cténophores collectés dans tout l’hémisphère nord, y compris ceux qui vivaient au fond de l’océan en Californie (froid, haute pression) et ceux de la surface de l’océan Arctique (froid, pas haute pression).

« Il s’avère que les cténophores ont développé des structures lipidiques uniques pour compenser la pression intense, qui sont différentes de celles qui compensent le froid intense », a déclaré Budin, « à tel point que la pression est en fait ce qui maintient leurs membranes cellulaires ensemble. »

Les chercheurs appellent cette adaptation « homéocourbure » car la forme incurvée des lipides s’est adaptée à l’habitat unique des cténophores. Dans les profondeurs marines, les lipides en forme de cône ont évolué vers des formes coniques exagérées. La pression de l’océan contrecarre cette exagération, de sorte que la forme des lipides est normale, mais seulement à ces pressions extrêmes. Lorsque les cténophores des profondeurs marines sont ramenés à la surface, la forme conique exagérée revient, les membranes se brisent et les animaux se désintègrent.

Les molécules à la forme conique exagérée sont un type de phospholipides appelés plasmalogènes. Les plasmalogènes sont abondants dans le cerveau humain et leur abondance décroissante s’accompagne souvent d’une diminution des fonctions cérébrales et même de maladies neurodégénératives comme la maladie d’Alzheimer. C’est pourquoi ils sont très intéressants pour les scientifiques et les chercheurs médicaux.

“L’une des raisons pour lesquelles nous avons choisi d’étudier les cténophores est que leur métabolisme lipidique est similaire à celui des humains”, a déclaré Budin. “Et même si je n’ai pas été surpris de trouver des plasmalogènes, j’ai été choqué de constater qu’ils représentent jusqu’aux trois quarts du nombre de lipides d’un cténophore des grands fonds.”

Pour tester cette découverte plus en détail, l’équipe a de nouveau étudié E. coli et mené deux expériences dans des chambres à haute pression : l’une avec des bactéries non modifiées et l’autre avec des bactéries modifiées génétiquement pour synthétiser des plasmalogènes. Alors que les E. coli non modifiées ont disparu, la souche d’E. coli contenant des plasmalogènes a prospéré.

Ces expériences ont été menées sur plusieurs années et avec des collaborateurs de plusieurs institutions et disciplines. À l’UC San Diego, en plus de Budin, dont le groupe a mené les expériences de biophysique et de microbiologie, le laboratoire du professeur distingué de chimie et de biochimie Edward Dennis a effectué une analyse des lipides par spectrométrie de masse. Les biologistes marins du MBARI ont collecté des cténophores à étudier, tandis que les physiciens de l’Université du Delaware ont effectué des simulations informatiques pour valider les comportements des membranes à différentes pressions.

Budin, qui s’intéresse à la façon dont les cellules régulent la production de lipides, espère que cette découverte mènera à de nouvelles recherches sur le rôle des plasmalogènes dans la santé et les maladies du cerveau.

« Je pense que les recherches montrent que les plasmalogènes ont des propriétés biophysiques vraiment uniques », a-t-il déclaré. « La question est donc désormais de savoir dans quelle mesure ces propriétés sont importantes pour le fonctionnement de nos propres cellules. Je pense que c’est l’un des messages à retenir. »