1. Introduction

Mettant l’homme à sa juste place d’animal quelconque, les premières idées sur l’évolution des espèces ont pourtant reflété une vision anthropocentrique. Fondées sur l’histoire naturelle des organismes multicellulaires, les espèces retenues restaient à l’échelle humaine. Or c’est la cellule, presque toujours visible seulement au travers d’un microscope, qui est l’atome de la vie. Si l’évolution par sélection naturelle était universelle, il fallait donc savoir si l’explication du sort des organismes macroscopiques restait vraie pour les microbes, normalement unicellulaires et très petits. C’était d’autant plus important que, même dans un temps où l’on n’avait pas encore compris l’existence et la nature des gènes, les règles acceptées pour expliquer l’évolution y ont très vite ajouté une composante : la distinction sexuelle entre les individus. Il n’était pas évident que cette différence, assez claire chez des microbes comme les levures, s’étende aux bactéries. Très tôt, l’une des questions implicites postulant l’existence d’un cycle sexuel bactérien avait permis d’étudier ce processus important (Sherman and Wing, 1937), mais ce n’est qu’en parallèle avec la découverte du rôle de l’ADN comme vecteur de l’hérédité qu’on a compris les mécanismes qui la gouvernent (Tatum and Lederberg, 1947). De surcroît, singularisés par leur pléomorphisme, les microbes ont des phénotypes qui varient considérablement selon la façon dont on les cultive. En attendant de comprendre le détail de l’hérédité, leur évolution donna lieu à bien des spéculations hasardeuses. Les premiers microbiologistes ont ainsi pensé que l’hérédité des microbes obéissait à des lois différentes de celles des plantes et des animaux (Rodet, 1894; Enderlein, 1925; Hadley, 1927). Pour s’en assurer, il a fallu choisir des organismes modèles et construire des expériences probantes afin d’explorer leurs liens de parenté et l’évolution de leur descendance.

2. Premières observations de mutations adaptatives chez les bactéries

Dès 1859, pour expliquer que les bouillons et autres infusions étaient envahis par des organismes vivants, Louis Pasteur démontrait que cela requiert leur présence préalable. Il n’y a pas de génération spontanée de la vie. Félix Pouchet, tenant de la vision animiste traditionnelle, le défia avec vigueur, montrant qu’il avait trouvé des preuves contraires. Quelles étaient donc ces « preuves » ? Pasteur utilisait comme bouillon des extraits de levure stérilisés par chauffage, tandis que Pouchet montrait qu’il récupérait des micro-organismes après avoir fait bouillir des récipients contenant de l’eau où avait infusé du foin (Roll-Hansen, 1979). Nous savons aujourd’hui que les plantes herbacées sont la sphère naturelle où se multiplie la « bactérie du foin » caractérisée en 1872 par Ferdinand Cohn et désormais nommée Bacillus subtilis. Pouchet avait mal stérilisé son milieu de culture et cette bactérie forme des spores très résistantes à la chaleur (Nicholson et al., 2002). Après avoir été l’un des modèles choisis par Jacques Monod pour étudier la physiologie des bactéries, le bacille subtil est aujourd’hui utilisé pour analyser les mécanismes de l’évolution (Zeigler and Nicholson, 2017). Mais c’est une autre bactérie, elle aussi utilisée par Monod dans sa thèse, le colibacille originellement nommé Bacterium coli commune, qui est devenu l’organisme vivant le mieux compris (Méric et al., 2016). Découvert en 1885 dans le côlon des nourrissons, et renommé Escherichia coli en l’honneur du pédiatre allemand Theodor Escherich son découvreur, ce microorganisme a très tôt servi de modèle pour l’étude des mécanismes de l’évolution bactérienne. Hélas, ces travaux ont été généralement oubliés. En effet — et cette amnésie est renforcée parce que ce qui est connu de la foule se doit d’être accessible dans la Toile, donc souvent très récent — on néglige bien des expériences cruciales discutées avant la découverte des mécanismes moléculaires de l’hérédité. Les redécouvrir, illuminées par nos connaissances actuelles, met au jour d’anciennes controverses qui révèlent des comportements évolutifs inattendus dont l’explication ouvre des perspectives inexplorées sur les mécanismes de l’évolution des espèces.

Isolée à partir d’un cas d’entérite, une souche de B. coli commune a été ainsi retenue par Max Neisser en 1906 après qu’il eut observé un phénomène curieux. Contrairement à la souche type de l’espèce qui fermente le lactose, cette souche ne le fermentait pas. Mais, si la bactérie était laissée à 37 °C pendant 72 à 96 heures sur des boîtes de Petri contenant du lactose et un indicateur incolore qui rougit dans l’environnement acide de la fermentation, des colonies filles rouges apparaissaient à la surface de colonies parentales blanches. Cette bactérie avait donc acquis cette capacité après avoir été mise en contact avec le sucre, et ce, de façon stable et apparemment irréversible. Cela conduisit Neisser à la nommer B. coli mutabile pour souligner son instabilité. De fait, dans l’article princeps où il décrit la souche, Neisser suggère, sans en discuter la cause, que la variation observée chez B. coli mutabile résulte d’une mutation au sens compris par De Vries chez les plantes au début des années 1900 (Neisser, 1906). Compte tenu de ce que l’on comprenait de l’hérédité, cela semblait mettre au jour un cas d’hérédité d’un caractère acquis, observation anathème pour les tenants d’une interprétation étroite des théories de Darwin et Wallace. Cela explique peut-être le silence qui a longtemps persisté autour de ces observations.

Neisser avait proposé à son élève Rudolf Massini d’en faire son sujet de thèse. Ce dernier a montré de façon très détaillée, en partant de bactéries individuelles qu’il laissait se multiplier, comment, cultivées sur milieu solide contenant un colorant ad hoc, elles forment d’abord des colonies blanches. Après plusieurs jours, apparaissent sur ces colonies des « papilles » qui deviennent rouges. Les sous-cultures réalisées à partir de ces papilles sur des milieux contenant du lactose ne produisent jamais de descendants blancs sur le même sucre, même après une sous-culture prolongée sur des milieux sans lactose (Massini, 1907). Nous rapportons ici un extrait du texte original des observations de Massini car elles sont identiques à ce que nous décrivons plus loin à partir d’un modèle bactérien dont les caractéristiques génétiques et moléculaires sont connues, ce qui ne pouvait être le cas à l’époque (Encadré 1).

Comment comprendre ces observations — complétées par de nombreuses autres, comme l’émergence héréditaire adaptative d’une « capsule » chez les bactéries pathogènes (F. H. Stewart, 1926) —, en un temps où la nature physique des gènes restait énigmatique ? Peu de questions ont suscité autant de débats, souvent âpres, que celle des origines de ces mutations (voir par exemple les discussions suscitées par l’obtention de mutations adaptatives chez E. coli en 1988 (Cairns et al., 1988)). De même, peu de questions ont mis au jour autant de préjugés fondés sur l’ignorance des mécanismes de la biologie fondamentale qui sous-tend la variabilité des phénotypes bactériens, quelle que soit son ampleur. Mutations adaptatives ou adaptation temporaire au milieu ?

Cette question, reprise par Monod dans son étude de l’adaptation bactérienne à la croissance sur diverses sources de carbone (Monod, 1949), lui permettra de comprendre l’adaptation enzymatique au travers de l’expression des gènes. Dans son étude, il suffit de quelques heures pour voir apparaître des colibacilles fermentant le lactose, et cette adaptation est réversible. Cela suppose un mécanisme qui n’altère pas la nature des gènes des cellules en cause. Au contraire, dans les expériences de Neisser et Massini, il faut attendre plusieurs jours et cette adaptation est irréversible. L’importante littérature à ce sujet est faite presque entièrement d’observations sans principe directeur commun si ce n’est reprendre la question de l’hérédité des caractères acquis. L’énigme se présentait encore ainsi en 1938 :

Ces observations ont été longtemps reprises et discutées, en particulier en référence à la possible existence d’une reproduction sexuée ainsi que des mécanismes généraux de l’hérédité chez les bactéries (Luria, 1946), mais, après la découverte du rôle de l’ADN dans l’hérédité, elles ont été rapidement oubliées. Toute mutation génétique doit avoir un support physique, observable dans l’ADN, mais ce n’est que très récemment qu’il a été possible de les identifier. Pour aller plus loin, il fallait en effet non seulement partir d’un modèle génétique très bien connu, ce qui était facile dès que les expériences de séquençage génomique sont devenues banales, mais aussi s’interroger sur le type d’expériences à envisager en tenant compte du cycle de vie des organismes. Nous explorons d’abord cet aspect rarement souligné.

3. Les âges de la vie : quelle phase du cycle vital choisir pour étudier l’évolution ?

La réflexion autour de l’évolution oublie souvent que le cours de la vie n’est pas uniforme. L’existence des individus ou des espèces de leur naissance à leur mort se déroule en plusieurs étapes (Figure 1). On tend aussi à privilégier les intervalles où l’organisme est jeune puisque l’évolution implique la génération d’une descendance Pourtant, cette étape ne représente qu’une partie, souvent brève, de la totalité de la vie des cellules, isolées ou formant l’individu lorsqu’il est multicellulaire. Or, la nature et le destin des âges de la vie influencent certainement de façon importante la façon dont l’évolution de l’entité en cause va être affectée. C’est que les processus sélectifs impliqués dans cette évolution ne peuvent pas être les mêmes si l’entité en est au début de son cycle de vie, si elle est en croissance, dans un état stationnaire, vieillissante ou près de mourir. Seul le dernier stade a peu de chances d’avoir une influence notable sur la production de descendants, et encore : il peut affecter la survie de ceux qui sont déjà nés (Travers et al., 2021).

Les modèles microbiens de l’évolution ont surtout étudié la croissance en milieu liquide, facile à mettre en œuvre. C’est aussi le moment où la descendance est la plus nombreuse, et cela convient donc à des approches statistiques probantes (Dworkin and Harwood, 2022). Dans ce contexte, les expériences d’évolution à long terme choisissent soit la croissance en chimiostat (Marlière et al., 2011), soit la répétition quotidienne de la dilution de cellules dans un milieu frais leur permettant de croître à nouveau (Papadopoulos et al., 1999). Ces approches sont typiquement anthropocentrées, car destinées à faciliter les mesures en laboratoire. Si elles ne permettent pas d’explorer de façon réaliste le phénomène de l’évolution bactérienne, elles ont toutefois permis de mettre au jour un rôle important d’un paramètre souvent oublié, le vieillissement. Notons ici que, tout comme pour le terme de « sénescence », il s’agit d’un concept « prospectif », au sens de John Myhill, ce qui induit inévitablement bien des discussions (Myhill, 1952). Nous utilisons donc ces termes en conservant l’imprécision de leur sens commun. En culture liquide, la population bactérienne crée une situation de compétition entre individus qui permet l’émergence rapide de mutants capables d’avoir un avantage de croissance par rapport aux autres membres de la population lorsqu’elle entre en phase stationnaire, phase prédominante de la vie. Ce phénomène d’« avantage de croissance en phase stationnaire » (GASP en anglais, pour « growth advantage in stationary phase ») a permis par exemple de noter le rôle privilégié d’une sous-unité de l’ARN polymérase, RpoS, dont nous verrons plus loin l’implication (Zinser and Kolter, 1999; Abram et al., 2021).

D’autres études, destinées à proposer une explication aux observations de Cairns et de ses collègues, réalisées sur boîtes de Petri, ont cherché à comprendre les mutations qui apparaissent durant l’état stationnaire sur milieu solide. Ces expériences reposent sur le postulat que le vieillissement, plutôt qu’être reconnu comme une composante nécessaire de la vie avec des caractéristiques propres, n’est que l’un des multiples « stress » auxquels la cellule doit faire face, agissant alors comme un stimulateur du niveau de base de la mutagenèse (Lansch-Justen et al., 2024). De façon très courante à l’époque, les mutations observées ont donc été interprétées comme le résultat d’une perte partielle d’activité du système de correction des mésappariements dans l’ADN ou du processus de recombinaison (Taddei et al., 1997; Bjedov et al., 2003).

4. Un colibacille « intelligent » pour explorer la genèse de mutations adaptatives

Durant la phase stationnaire, pour survivre, l’organisme vieillit tout en restaurant le mieux possible ce qui n’est plus fonctionnel. Les conséquences des mutations qui surviennent se font alors sentir au cours de l’évolution dès que l’organisme trouve le moyen de produire une descendance. Ce n’est pas une vue de l’esprit : conserver des bactéries dormantes sur milieu solide ou en « géloses profondes » révèle souvent, lorsqu’on les utilise pour reprendre une culture nouvelle, des variants inattendus porteurs de mutations (Faure et al., 2004; Nahku et al., 2011). Ce fait malheureusement méconnu conduit d’ailleurs à bien des difficultés lorsqu’il s’agit de comparer les travaux de laboratoires qui revendiquent l’usage d’une même souche (Soupene et al., 2003). Soulignant tout l’intérêt de comprendre ce qui se passe lors de la survie, il faut noter qu’il s’agit là d’une des raisons importantes, mais occultée, d’une variabilité qui jette le doute sur beaucoup d’expériences de biologie, du fait de problèmes de reproductibilité (Cobey et al., 2024).

Au milieu des années 1980, notre laboratoire avait mis en place une première exploration destinée à rendre ces observations accessibles à l’expérience. Pour cela, nous utilisions une souche de colibacille altérée dans la répression catabolique, thème de recherche familier au laboratoire de Jacques Monod et à Agnès Ullmann avec qui nous collaborions. Ces bactéries portaient une mutation éliminant le gène cya, codant l’adénylate cyclase, ce qui les rend incapables d’utiliser un grand nombre de sources de carbone. Nous avons alors laissé croître quelques centaines de bactéries individuelles sur des boîtes de Petri contenant un milieu riche leur permettant tout juste de produire des petites colonies. Mises en présence de maltose, ces bactéries pourraient-elles produire une descendance ? L’idée commune veut que seules des mutations préexistantes permettent de faire émerger des fonctions nouvelles. Cela ne devrait donc pas être possible, mais l’expérience méritait d’être tentée. Le milieu, conçu pour être sélectif pour les entérobactéries, contenait aussi un colorant destiné à indiquer la production d’acide (milieu MacConkey (MacConkey, 1905)) et était supplémenté avec du maltose. Ces boîtes mises en croissance à 37 °C pendant 24 heures étaient ensuite laissées plusieurs jours à la température du laboratoire (18-22 °C). On observait d’abord, comme attendu, de petites colonies blanches qui s’arrêtaient de croître.

Nous aurions pu considérer que la question était close et jeter les boîtes. Mais attendre un peu n’était pas difficile et notre patience a été récompensée : quelques jours plus tard, sont appararues à leur surface des papilles rouges, phénomène semblable à celui décrit par Neisser et Massini (Figure 2). Comme cette expérience avait l’avantage d’être très reproductible et réalisable en moins d’un mois, elle a servi de base pour l’un des cours de Microbiologie générale organisé par Agnès Ullmann à l’Institut Pasteur (Ullmann et al., 1986). Une seule conclusion génétique pouvait être tirée de ces premières expériences : contrairement à l’hypothèse répandue que la recombinaison intervenait pour expliquer le phénomène des mutations adaptatives, nous montrions que l’inactivation du gène recA ne faisait que ralentir la croissance, sans prévenir l’apparition des papilles (Danchin, 2007). Cependant, faute de pouvoir identifier si les papilles portaient des mutations compréhensibles, ces travaux en sont restés là.

Plus d’un quart de siècle plus tard, afin d’identifier les mécanismes qui structurent l’évolution depuis la survie, nous avons construit un modèle parfaitement défini dérivé de l’archétype du colibacille dont le génome a été le premier séquencé, la souche MG1655 d’E. coli K12 (Blattner et al., 1997). Pour servir de référence, la séquence du génome de ce variant, AMB1655, a été déterminée. Nous avons aussi établi que cette souche ne produit pas plus de mutants résistants à la rifampicine (antibiotique inhibiteur de la transcription) que son parent MG1655 (Sekowska et al., 2016). Son caractère distinctif est qu’il ne peut pas se nourrir de nombreux sucres parce que la transcription des gènes de leur catabolisme requiert la présence d’AMP cyclique (AMPc), médiateur de l’expression de plusieurs centaines de gènes chez E. coli (Kolb et al., 1993), puisque que le gène cya codant l’adénylate cyclase en a été retiré. Cela permet d’explorer ce qui se passe lorsque les cellules sont laissées en survie dans un milieu riche où elles trouvent d’abord de quoi produire de petites colonies, mais s’arrêtent de croître une fois qu’elles ont utilisé les sources de carbone qui leur sont accessibles. On ajoute alors à ce milieu l’une ou l’autre des sources connues pour être inutilisables en l’absence d’AMPc.

Nous avons alors laissé ces bactéries croître et entrer en phase stationnaire, avec l’intention de séquencer le génome des mutants attendus. Les colonies formées après 24 heures ne changent pas, mais après trois à cinq jours, des papilles rouges surgissent à la surface de certaines d’entre elles, à raison d’une papille pour cent colonies blanches environ, et elles croissent jusqu’à envahir la boîte tout entière. Dans une atmosphère où l’humidité et la température sont maintenues constantes, ce schéma se répète et de nouvelles papilles apparaissent durant au moins deux mois (Sekowska et al., 2016). Purifiées par passages successifs et isolement de colonies rouges sur des boîtes du même milieu, ces papilles ont les propriétés caractéristiques des mutations de l’expérience de Neisser et Massini. L’analyse physiologique des mutants, issus de colonies indépendantes, nés tout au long de l’expérience permet de décrire la cinétique de leur apparition, leur comportement face à différentes sources de carbone ainsi que leur phénotype sur plusieurs milieux indicateurs. Étalés sur un milieu coloré différent du milieu McConkey (typiquement le milieu riche EMB, contenant de l’éosine et du bleu de méthylène (Leininger et al., 2001)) ou d’autres sources de carbone que le maltose, on observe que les phénotypes observés sont très divers, suggérant que les mutations sont loin d’être toutes les mêmes.

5. L’apport de la génomique : les mutations adaptatives ne sont pas réparties au hasard dans le chromosome

La révolution génomique a changé nos perspectives en permettant de comparer les individus d’une population grâce à l’identification à la base près de la séquence de leur génome. En collaboration avec le laboratoire de Morten Nørholm à Copenhague, nous avons extrait puis séquencé l’ADN de 96 génomes de papilles retenues pour leurs phénotypes distincts. Les différences entre la séquence de leur génome et celui de la souche parentale ont été caractérisées (Sekowska et al., 2016). Presque tous les mutants comportent une ou plusieurs mutations dans le gène crp qui code le récepteur de l’AMP cyclique, CRP, et ces mutations tendent à s’accumuler au cours du temps, révélant un processus adaptatif discuté plus loin (Frendorf et al., 2019; Lauritsen et al., 2021). Afin d’élargir le paysage évolutif de cette protéine, nous avons aussi séquencé séparément le gène crp isolé de 594 papilles indépendantes (Frendorf et al., 2019). Lorsque les mutants en question sont obtenus au début de l’expérience, il n’y a généralement qu’une seule mutation dans le gène. Au cours du temps, il apparaît aussi d’autres mutations dans ce même gène, mais, faute d’avoir les ressources suffisantes pour analyser en détail le comportement explicite induit par chacune de ces mutations, nous pouvons penser qu’un certain nombre d’entre elles sont neutres (ibid.).

Outre ces mutations, nous avons identifié 145 mutations et 15 délétions ou insertions de séquences mobiles dans des régions connues pour être instables (ychE, icd, intR dans la région du prophage Rac (Foster et al., 2015; Ramisetty and Sudhakari, 2019; Wons et al., 2025)). Ces mutations forment une série d’îlots alors que l’essentiel du génome n’est pas affecté. Isolées de papilles indépendantes, elles concernent souvent le même gène en des positions différentes, ce qui souligne le lien fonctionnel du gène en cause avec la capacité de croître à nouveau. Du reste, ces mutations sont presque toutes situées dans la séquence codante des gènes, bien plus fréquemment que ce qu’on aurait pu attendre en raison de la proportion significative de régions non codantes dans le génome. Tout cela démontre que le phénomène observé est spécifique de certains gènes et n’accroît pas la mutagenèse générale.

6. Les mutations en phase stationnaire forment des classes métaboliques cohérentes

L’analyse de ces mutations montre que les classes fonctionnelles affectées permettent aux mutants d’être préadaptés à reprendre leur croissance dans le milieu qu’ils rencontrent, révélant des activités métaboliques concertées (Tableau  1).

L’identification de la cause de cette concertation est essentielle pour comprendre l’origine de ces mutations et pour expliquer leur caractère adaptatif. Pour y parvenir, nous avons d’abord analysé les fonctions en cause afin d’établir l’étendue de cette cohérence.

7. Transcrire est localement mutagène

Les explications proposées pour la mutagenèse adaptative de la bêta-galactosidase rapportée par Cairns et ses collègues ont produit une longue controverse (Cairns et al., 1988; Brisson, 2003). En dehors d’interprétations fantaisistes ou invoquant le rôle banal et purement phénoménologique des mécanismes associés à la réplication de l’ADN, plusieurs travaux ont proposé que leur origine soit liée au processus de transcription au travers d’un mécanisme appelé « rétromutagenèse », dont l’explication moléculaire a évolué au cours du temps (Holmquist, 2002; Callegari, 2016). Dans un premier temps, l’hypothèse proposée est restée tributaire de l’implication directe traditionnelle de l’ADN, supposant que lors de la transcription de régions de l’ADN altérées par des agents physico-chimiques, le messager pourrait court-circuiter les lésions tout en déclenchant la réplication locale, empêchant la réparation et fixant ainsi des altérations locales du génome. Comme cela correspondrait à des régions transcrites pour répondre aux variations de l’environnement, le résultat serait adaptatif (Doetsch et al., 1999). Plus tard, au moment même où nous rapportions les expériences que nous discutons ici, les auteurs de cette hypothèse ont utilisé comme modèle la réversion dirigée d’une mutation du gène lacZ et modifié l’explication en proposant un concept nouveau où le processus moléculaire de transcription jouait un rôle central. La double hélice de l’ADN couverte par l’ARN messager forme une « bulle » où les polynucléotides en simple brin deviennent accessibles aux agents réactifs, augmentant ainsi considérablement la probabilité de mutagenèse locale (Morreall et al., 2015). Ces travaux très limités peuvent-ils être étendus à l’ensemble du génome ? Nos expériences démontrent que le processus ciblé de mutagenèse se généralise au sein d’une population et conduit souvent à la présence simultanée de plusieurs mutations dans le génome ou encore le même gène, toujours dans le même brin.

C’est que connaître la séquence des gènes nous donne un levier pour déterminer non seulement la nature exacte de la mutation, mais aussi, sachant l’orientation de la transcription du gène, quel brin de l’ADN a été muté. L’immense majorité de nos mutations est due à deux types d’événements, soit des transversions, modifiant des paires G•C en T•A, soit des transitions où la cytosine est remplacée par la thymine. Elles résultent dans le premier cas de l’oxydation de la guanine en 8-oxoguanine sous l’action des dérivés réactifs de l’oxygène, et dans le deuxième cas, de la désamination des cytosines. Confirmant le rôle de la transcription, la base mutée est pour l’essentiel présente dans le brin transcrit au sein des séquences codantes du gène (84 % pour les transversions G et 93 % pour les désaminations C). Cette fréquence est encore plus importante dans le gène crp, puisque dans ce gène isolé de 594 papilles indépendantes, 99 % des transversions G et des désaminations C ont eu lieu dans le brin transcrit (Sekowska et al., 2016; Frendorf et al., 2019; Lauritsen et al., 2021).

Dans nos expériences, une papille apparaît dans une colonie contenant environ un million de bactéries. Cela représente un biais local considérable par rapport à la mutagenèse générale constatée dans la souche parentale AMB1655 qui montre un taux normal de mutations spontanées, de l’ordre de moins de deux mutations pour un milliard de bactéries (Wu and Hilliker, 2017). Compte tenu du fait qu’elles sont très localisées et restreintes à deux types, ces mutations ne peuvent qu’être le résultat d’un processus moléculaire délimité, ce qui est compatible avec la transcription d’un gène en ARN messager. En ouvrant la double hélice d’ADN, la transcription expose les bases protégées dans l’hélice à des accidents chimiques. En présence d’oxygène moléculaire, on sait que la guanine est ainsi facilement oxydée en une série de dérivés, comme la 8-oxoguanine (Hori et al., 2011). L’ouverture de l’ADN expose aussi la cytosine à une altération chimique intrinsèque : en équilibre entre plusieurs formes tautomériques, son exposition à la réactivité de l’eau favorise sa désamination en uracile (Bhagwat et al., 2016). On notera que cette dernière cause de mutations est indépendante de la présence d’oxygène moléculaire.

Vue de cette façon, la transcription est par essence mutagène et la présence simultanée de mutations dans plusieurs gènes suppose alors qu’ils sont transcrits de concert. Ce phénomène bouleverse le paysage évolutif de l’espèce en liant directement le processus d’expression génétique lui-même à une pression de sélection inévitable, très différente de celle généralement avancée pour expliquer l’évolution des espèces. L’évolution est censée résulter de mutations préexistantes touchant directement un ou plusieurs traits phénotypiques de l’organisme. Si le mécanisme lié à la transcription que nous avons mis au jour est général, il reste à expliquer pourquoi les mutations que nous observons forment des foyers qui altèrent des activités regroupées en voies métaboliques correspondant à des unités fonctionnelles cohérentes.

8. La mutagenèse concertée, adaptative, résulte de la transcription concomitante des gènes impliqués dans la survie et la croissance

Comment expliquer cette concertation fonctionnelle ? Nous devons d’abord supposer que les gènes exprimés lors de cet âge où la cellule ne fait plus que vieillir servent à la maintenir en vie. Seule une petite partie des fonctions codées par le génome est impliquée. Survivre requiert un métabolisme de base où la cellule recycle tout ce qui peut l’être. Cette activité est illustrée ici par les mutations de la dérivation de la glycolyse utilisant le MGO. Si les gènes de cette voie apparaissent dans notre étude, c’est qu’ils sont transcrits. L’explication la plus plausible est alors que les protéines en cause, ayant vieilli, s’agrègent ou sont dégradées, perdant leur fonction, ce qui demande qu’elles soient synthétisées à nouveau. La cohérence de l’ensemble apparaît dans le fait que la voie utilisant le MGO est strictement inféodée à la voie qui utilise le glutathion pour produire le D-lactate, puis le pyruvate (Iacometti et al., 2022). Les protéines associées doivent donc changer au même rythme, adaptant leur vieillissement à leur rôle de veille métabolique permettant la survie.

Une deuxième contrainte apparaît aussi : il faut que les cellules soient prêtes à reprendre leur croissance sans que cela ne les soumette aux forces mécaniques insupportables qui seraient créées par la croissance différentielle de leurs composants. Un mauvais ajustement les mènerait à leur lyse. Cela suppose donc d’anticiper le maintien de l’homéostasie spatiale de la cellule si elle se remet à croître. Nous avons montré dans un tout autre contexte qu’elle utilise pour ce faire le nucléotide CTP, non seulement à partir de sa synthèse de novo, mais aussi à partir du recyclage de tous les composés comprenant des dérivés de la cytosine, et en particulier des ARN. Là encore, nous devons supposer que les protéines en cause s’altèrent au même rythme, puis sont synthétisées à nouveau, laissant croître les cellules porteuses de mutations le leur permettant. Il y a malheureusement peu d’études qui identifient explicitement la dégradation des enzymes impliquées dans la biosynthèse des nucléotides de cette famille, sinon des travaux montrant, in vitro, qu’elles sont sensibles à la protéolyse (e.g. (Simard et al., 2003) for PyrG and (Ofiteru et al., 2007) for Cmk).

Est-ce aussi applicable au métabolisme des sucres contrôlé par l’AMPc ? La cause ultime de leur implication semble ici très simple : le fait même que la cellule contienne un activateur constitutivement actif, CRP*, entraîne que la plupart des opérons contrôlés positivement par CRP sont activés. Il nous faut cependant expliquer pourquoi le gène crp est transcrit lors de la survie. Cela revient à savoir si CRP s’altère au cours du temps ou, tout au moins, est une protéine instable. La plupart des études de ce récepteur concernent non pas la durée de vie de la protéine, mais celle de son ARN messager. Une étude ancienne, cependant, montre que le récepteur CRP est naturellement dégradé, probablement assez vite, et que cela dépend de son interaction avec la machinerie qui contrôle son repliement, assisté par le chaperon moléculaire DnaKJ (Ohki et al., 1992).

Peu d’études explorent la durée de vie des protéines chez E. coli. La plus détaillée analyse la durée de vie de 3 200 d’entre elles lorsque les bactéries sont soumises à divers types de carence. Mais l’expérience est réalisée en chimiostat et cela se limite donc à rapporter ce qui se passe durant la croissance en milieu liquide, loin des conditions de la survie sur support solide (Gupta et al., 2024). Une conclusion remarquable de ce travail, cependant, est qu’aucun des mécanismes de protéolyse identifiés jusqu’à présent ne semble impliqué dans la dégradation de ces protéines. Cela montre que nos connaissances sur la protéolyse intracellulaire présentent des lacunes importantes. Il s’agit cependant bien sûr d’une connaissance très importante, qui pourra être utilisée pour comprendre les mécanismes sélectifs qui ont lié la fonction de ces protéines à leur dégradation plus ou moins rapide durant la croissance. Une deuxième observation de cette étude est que les régulateurs de l’expression des gènes ont le plus souvent une durée de vie courte, bien adaptée à leur fonction de régulation, ce qui devrait pouvoir s’étendre aux régulateurs identifiés dans notre étude. Ce travail, cependant, ne prend pas en compte les âges de la vie autre que la croissance, confirmant l’inattention portée au mécanisme universel, mais méconnu, du vieillissement des protéines que nous décrivons maintenant.

9. Le vieillissement programmé des protéines est-il à l’origine de mutations adaptatives ?

Ce que nous observons dans nos expériences conduit tout naturellement à l’hypothèse que la cellule en survie reste en veille, prête à reprendre sa multiplication dès que les conditions seront favorables, et cela bien que les entités qui la composent se détériorent au cours du temps. Quel est le mécanisme retenu par l’évolution pour mettre cette veille en œuvre et quelles sont ses conséquences ? Comme toujours, le mécanisme central à la base de la sélection naturelle est de faire feu de tout bois, et de recruter ce qui est déjà là comme agent d’une fonction stabilisatrice (Schmalhausen, 1949), quitte à raffiner cette nouvelle aptitude au cours des générations. Lorsque le temps passe, les protéines qui tiennent les fonctions de la cellule sont inévitablement altérées. Leur efficacité décline peu à peu. Il faut donc remplacer celles qui ne fonctionnent plus et les synthétiser à nouveau. Cela suppose l’expression de leurs gènes, en commençant par leur transcription. Si le fait même de vieillir peut être soumis à la sélection naturelle, nous aurons identifié la cause primaire du déclenchement du processus général qui conduit à la mutagenèse adaptative.

Programmé, le vieillissement des protéines pourrait en effet servir d’horloge de veille, tout en associant leurs fonctions nécessaires à la survie à une exploration de comportements nouveaux mieux adaptés à l’environnement grâce à la mutagenèse ainsi induite. Mais que savons-nous des mécanismes fondamentaux de ce vieillissement ? En raison des effets de mode et de la quête insatiable de la jeunesse, ce sont des idées simplistes aux conséquences lucratives qui dominent la scène, très loin de la rationalité scientifique (Shenhar et al., 2026). Si l’on en juge par la pléthore de publicités pour des remèdes fantaisistes, la cause majeure des altérations cellulaires résulterait de réactions chimiques dues à des composés réactifs à courte durée de vie (par exemple les fameux « dérivés réactifs de l’oxygène », conséquences du stress oxydant) ou d’accidents métaboliques, ou encore physiques, parce que la matière subit l’action de divers types de rayonnements. Or, ces altérations sont omniprésentes, mais leur lieu d’action et leur intensité sont très variables. Comme ce sont des accidents, par définition erratiques, cela peut difficilement être impliqué dans une loi d’évolution universelle. Pour cette raison, cela masque un phénomène intrinsèque sous-jacent qui, lui, marque le passage du temps de façon constante et inévitable. Les protéines sont particulièrement concernées, mais leur longévité individuelle reste difficile à prédire, ne serait-ce que parce qu’elles restent rarement isolées, car elles participent largement à des complexes multiprotéiques, qui comprennent souvent aussi des acides nucléiques (McShane et al., 2016; Sagawa et al., 2024).

De fait, une cause identifiée depuis longtemps, mais très largement ignorée, doit dominer : dans l’eau, les protéines changent toutes spontanément, avec une demi-vie intrinsèque spécifique à chacune, formant de véritables horloges (N. E. Robinson and A. B. Robinson, 2004). Cette contrainte se fait sentir dès l’étape de traduction, avant même que la protéine ne puisse interagir avec d’autres éléments cellulaires. C’est que l’enchaînement du polypeptide est naturellement instable en raison principalement de la présence de deux acides aminés, l’asparagine et l’aspartate (mais pas seulement ceux-là). Selon le contexte structural (séquence et structure spatiale de la protéine), les motifs L-aspartate et surtout L-asparagine forment un intermédiaire L-succinimide par déshydratation (ou désamidation dans le cas de l’asparagine). Celui-ci se réhydrate et tend à s’isomériser en L-isoaspartate. L’évolution chronologique du polypeptide ainsi modifié peut même ensuite conduire à un changement de chiralité, le L-aspartate devenant un D-aspartate (Figure 5). Tout cela déforme le squelette des liaisons peptidiques de la protéine, modifiant ou détruisant sa fonction (A. B. Robinson et al., 1970; Aswad et al., 2000). Ce processus, en fonction des conditions physico-chimiques (température et activité de l’eau en particulier), a une durée de vie caractéristique de chaque protéine, variant de quelques minutes à plusieurs dizaines d’années (McKerrow, 1979). Si ce processus est soumis à la sélection naturelle, il peut alors remplir toutes sortes de fonctions, jusqu’à présent totalement ignorées.

Très souvent, mais pas toujours, cette isomérisation est suivie par la réparation des motifs L-isoaspartate, catalysée par une méthylase qui utilise la S-adénosylméthionine (AdoMet) et redonne un résidu L-aspartate. Si le point de départ est un résidu L-aspartate dans la chaîne native, le polypeptide revient à son état initial. En revanche, le processus correctif va remplacer les résidus L-asparagine par des résidus L-aspartate, ce qui change nombre de propriétés de la protéine et en particulier sa charge électrique. Par ailleurs, ce processus est imparfait et très coûteux métaboliquement car il faut trois ATP pour faire un AdoMet et qu’une fraction seulement du L-isoaspartate méthylé redonne le L-aspartate, alors qu’il retourne vers le motif erroné le reste du temps ((Lowenson and Clarke, 1991; Danchin et al., 2011) and Figure 5).Chez le colibacille, cette activité correctrice est assurée par la protéine-L-isoaspartate(D-aspartate)-O-méthyltransférase Pcm, connue pour son rôle dans la survie des bactéries vieillissantes (Visick et al., 1998). Il va de soi cependant que la plupart des protéines âgées ne seront pas réparées, mais dégradées. Si elles sont importantes pour la survie, elles seront ensuite remplacées par des protéines « jeunes », via l’expression des gènes correspondants, ce qui suppose une étape de transcription, source de mutations adaptatives.

Pour aller plus loin et mettre en place une première expérience permettant d’identifier la contribution de cette réparation, il nous fallait identifier si les protéines que nous avons identifiées comme cibles de mutations étaient susceptibles de vieillir. C’était d’autant plus important que l’on sait que, chez le colibacille, au moins deux protéines évoluent vers une séquence contenant un motif isoaspartate, tout en restant fonctionnelles. Il s’agit de la protéine S11 du ribosome et de la protéine MurA, clé pour la synthèse de la paroi bactérienne. La modification de la protéine S11 est si rapide (de l’ordre de quelques minutes) qu’on doit penser qu’il s’agit d’une modification fonctionnelle (David et al., 1999). C’est aussi le cas pour l’UDP-N-acetylglucosamine 1-carboxyvinyltransferase MurA, responsable de la première étape de la synthèse de la paroi bactérienne et pour laquelle la présence d’un résidu isoaspartate fonctionnel a été établie (T. Zhang et al., 2020). Il ne s’agit donc pas de vieillissement, mais d’une véritable maturation post-traductionnelle. De surcroît, il est raisonnable d’envisager que certaines de ces isomérisations conduisent à des désamidations fonctionnelles, en particulier pour adapter certaines protéines à la survie en modifiant certaines de leurs propriétés physico-chimiques. Cela pourrait spécialement impliquer la résilience de la machinerie de transcription, qui doit rester fonctionnelle à long terme (Danchin et al., 2011).

Malheureusement, nous l’avons vu, le détail du vieillissement spontané des protéines a été peu étudié. Nous savons toutefois que l’expression du gène crp permet une concentration finement ajustée de la protéine CRP dans la cellule. En effet, sa transcription est régulée de façon rétroactive par le complexe CRP-AMPc, qui se lie immédiatement après le site de démarrage de sa transcription, empêchant la formation du messager correspondant (Hanamura and Aiba, 1991). De surcroît, cette transcription elle-même est régulée de façon positive par ce complexe (Hanamura and Aiba, 1992). Cela a pour résultat de maintenir la concentration du récepteur à une valeur optimale pour la cellule. Ainsi, si nous trouvions le moyen de déclencher la dégradation de CRP, sa transcription serait immédiatement activée, avec toutes les conséquences de la mutagenèse adaptative que nous avons identifiées. Si CRP vieillit en raison de l’isomérisation de certains résidus aspartate ou asparagine et si ce vieillissement est soumis à une activité réparatrice, inactiver le gène pcm dans notre modèle pouvait donc nous en apprendre un peu plus sur le rôle du vieillissement cellulaire, en accélérant la dégradation et la re-synthèse de CRP.

Nous avons donc remplacé dans la souche AMB1655 le gène pcm par sa contrepartie inactive provenant de la collection de référence de tous les gènes inactivés du colibacille (collection Keio (T. Baba et al., 2006)) et nous avons vérifié que la souche obtenue n’était pas mutatrice. Dans le dispositif expérimental utilisé pour étudier les mutations adaptatives, le résultat de cette construction est spectaculaire, comme le montre la Figure 6. Après 48 heures, presque toutes les colonies blanches ont donné naissance à une papille rouge, ce qui correspond à une fréquence locale de mutations au moins 200 fois supérieure à ce qui est observé avec la souche parentale. Il devient d’ailleurs très difficile de maintenir la construction de base, qui doit systématiquement être réisolée à partir d’une colonie blanche.

La démonstration du rôle de l’évolution chimique spontanée des protéines dans la genèse des mutations adaptatives rapportées ici s’est pour l’instant arrêtée à ce stade très préliminaire, faute de financement. Mais la réflexion développée ici ouvre de nouvelles voies pour comprendre ce qui se passe lors de la survie, et plus particulièrement dans la contribution de cet âge de la vie à l’évolution des espèces. Nous espérons ainsi contribuer à susciter de nouvelles recherches.

10. Perspectives : comment l’évolution anticipe-t-elle les accidents du futur ?

L’évolution d’une population vers sa différenciation en plusieurs espèces repose sur le triplet fonctionnel : variation, sélection et amplification. Le postulat le plus répandu qui fonde la théorie de l’évolution par sélection naturelle est que la variation, en pratique aléatoire, ne peut privilégier aucune direction future pour l’évolution. Elle est supposée affecter au hasard le génome des individus qui forment la population, nonobstant les contraintes internes liées à la nature biochimique de l’ADN qui le constitue. La population, faisant face à un environnement incertain, va retenir — sélectionner — un certain nombre de descendants qui vont se multiplier et produire au cours du temps un arbre divergent de descendants successifs dont l’adaptation à l’environnement sera le résultat d’heureux accidents. Il existe bien un scénario discordant idéal, mais il est rarement envisagé parce qu’il est facilement détourné pour justifier des approches eugénistes (Weindling, 2012). Si les mécanismes de l’évolution permettaient aux individus d’anticiper certaines propriétés de l’environnement auquel leur descendance aura à faire face, cela les aiderait considérablement à perpétuer l’existence de nouvelles espèces à long terme. Mais le hasard est aveugle. Prendre en compte cet aspect de l’évolution n’est donc généralement pas considéré comme acceptable.

Pourtant, nous savons qu’au moins un mécanisme d’anticipation existe déjà. Il est omniprésent, mais son rôle reste largement sous-estimé et invisible dans la plupart des arbres phylogénétiques, sans doute en raison des réserves que nous venons d’évoquer ainsi que de la vision « adamiste » qui recherche une origine unique pour toute entité dont la descendance évolue. Il s’agit du gain de gènes présents dans l’environnement par transfert génétique horizontal, voie majeure d’innovation génomique (Soucy et al., 2015). C’est qu’échantillonner ces gènes — qui reflètent les multiples stratégies d’adaptation par les communautés qui sont présentes — et les incorporer à son génome permet à un individu d’être prêt à bien réagir à des conditions qui, pour ses parents, étaient des nouveautés inatteignables. Cela joue certainement un rôle crucial pour la spéciation (Médigue et al., 1991; Thomas et al., 2017; Munshi et al., 2025). De surcroît, en s’appuyant sur le fait que les cibles du hasard peuvent être différenciées selon les âges de la vie, l’existence du phénomène d’émergence de mutations adaptatives pourrait donner une base rationnelle à un nouveau type d’anticipation.

La majorité des modèles de l’évolution la restreignent à la perpétuation d’une hérédité génétique correspondant à une population de jeunes individus. Elle serait le résultat d’un mécanisme de cliquet affectant le génome à la suite d’accidents chimiques ou physiques de l’ADN (c’est un filament fragile) que ce soit sous sa forme inactive, au cours de sa réplication ou résultant de diverses formes de recombinaison. Mais ces accidents, avant et lors de la réplication, sont très variés. De fait, leur étude a conduit à comprendre depuis longtemps que, même aléatoire, le taux basal de mutagenèse dans l’ADN ne peut être uniforme, car il dépend de sa séquence et de sa conformation locale (Maki, 2002).Il dépend aussi des processus biochimiques en cause. Par exemple, la réplication est semi-conservative. Cela crée une dissymétrie fondamentale entre les deux brins de la double hélice et soumet chacun à un mécanisme de mutagenèse différent (Snedeker et al., 2017). Le taux de mutations dans une cellule, bien sûr, est aussi le résultat des nombreux processus qui assurent la maintenance du génome au cours de la réplication, immédiatement après, et longtemps après. De surcroît, l’ADN n’est pas une mémoire inerte, il est transcrit bien plus souvent qu’il n’est répliqué. Transcrire un gène dans le même sens que la réplication n’a pas le même effet que le faire en sens opposé. Les conflits possibles entre l’orientation des deux processus font que la répartition des gènes dans le chromosome dépend de leur orientation par rapport au sens de la réplication (Gao et al., 2017). De façon plus fine, sachant que la transcription de chaque gène a un début et une fin, on remarque ainsi que l’extrémité 5′ des gènes présente un taux anormalement bas de mutations (Radrizzani et al., 2025).

Au-delà de cette façon commune d’envisager une contribution de la transcription à l’évolution, l’hypothèse de la rétromutagenèse, généralement ignorée, propose que la transcription soit par construction mutagène, parce que la double hélice s’ouvre pour être utilisée comme matrice dans cette première étape de l’expression des gènes. La mutagenèse elle-même reste aléatoire localement (sous réserve des contraintes dues aux mécanismes physico-chimiques impliqués), mais transcrire un gène ne l’est pas. Seule une partie du génome est transcrite, et la transcription dépend de l’environnement et des phases de croissance. On pourrait donc attendre que les gènes les plus transcrits, spécialement ceux qui concernent la machinerie domestique au cours de la croissance, soient affectés en priorité, conduisant à une prévalence des mutations dans les régions où ils se trouvent. Cependant, la question de savoir si cette transcription, souvent élevée, conduit à un taux élevé de mutations ou l’inverse, reste en partie ouverte. Une raison centrale de cette incertitude est que la pression de sélection sur les gènes domestiques fortement exprimés pourrait avoir conduit à restreindre leur sensibilité à la transcription en raison du risque d’emballement de la mutagenèse (Orgel, 1963; Orgel, 1970), ne laissant subsister que les gènes peu sensibles à la mutagenèse induite par la transcription. De fait, précisément puisqu’il s’agit d’une machinerie essentielle, on peut imaginer qu’il existe des mécanismes de compensation de la mutagenèse attendue et qu’ils aient été retenus au cours du temps. Ces mécanismes pourraient combiner, par exemple, une plus grande stabilité des protéines une fois traduites (ce qui diminue d’autant le recours à la transcription, puisqu’elles n’ont pas à être resynthétisées) avec une optimisation de la séquence du gène correspondant de manière à le rendre plus résistant aux causes de mutations (Oman et al., 2022). Le débat n’est pas clos, et il existe des expériences interprétées comme allant dans l’un ou l’autre sens (Sniegowski et al., 2000; X. Chen and J. Zhang, 2013). Cette contradiction entre familles de pression de sélection explique sans doute les nombreuses interrogations sur l’implication de la transcription dans la mutagenèse. Par ailleurs, ce qu’on a retenu de l’existence et de la nature des mutations dans les gènes codant les protéines essentielles à la multiplication cellulaire reflète une vue populaire où le vieillissement est perçu comme le résultat de l’accumulation d’erreurs à tous les niveaux : réplication, transcription et traduction (Diggs, 2008), et non comme un facteur important ou même bénéfique de l’évolution. Nous n’irons pas plus en détail ici, alors que nous souhaitons établir que ce qui est neuf dans notre réflexion est l’implication d’un mécanisme de variation universel, mais inattendu, l’altération chimique intrinsèque spontanée des protéines, dont l’effet, à notre connaissance, n’a pas encore été pris en compte de façon explicite dans les modèles de l’évolution.

Plutôt que de considérer les cellules en croissance, nous avons étudié ce qui se passe durant la longue durée du dernier âge de la vie, lorsque la cellule ne fait que survivre. Cela implique de prendre au sérieux les conséquences du vieillissement pour l’évolution. Le rôle des âges de la vie n’est pas indifférent, ne serait-ce que parce que le métabolisme et les accidents qui s’y associent ne sont pas les mêmes au moment où la croissance démarre, lors de son développement et lorsqu’elle a cessé. Le vieillissement de tous les composants cellulaires est inévitable et cela a des conséquences importantes sur les mécanismes de la mutagenèse. Comme nous l’avons évoqué au début de cet article, il a fallu quelque temps pour qu’on accepte que les bactéries vieillissent et meurent. Si cela pouvait être assez facilement compris pour les microbes qui forment une descendance par bourgeonnement, car le nombre des bourgeons est limité (Henderson and Gottschling, 2008), cela paraissait plus difficile lorsque les cellules se divisent symétriquement. L’idée que la division des bactéries répartit les entités vieillissantes de façon aléatoire a été proposée pour illustrer le concept d’antifragilité imaginé par Nassim Taleb (Danchin et al., 2011) et reprise dix ans plus tard pour rendre compte des difficultés rencontrées pour accepter que les bactéries vieillissent et meurent. Dans ce contexte, le rôle des protéines est central, et lorsque les cellules se divisent, c’est le fait que les protéines vieillies se concentrent aux pôles de la cellule lors du vieillissement qui crée l’asymétrie critique conduisant à la mort cellulaire (Lapińska et al., 2019; Steiner, 2021). Cependant, ce qui est exploré ici n’est pas le vieillissement durant la croissance, mais la durée de la survie sans multiplication, en excluant la formation de spores (Pechter et al., 2017). Si les protéines sont bien au centre de la discussion, la durée de vie limitée de certaines d’entre elles peut-elle être à l’origine de mutations adaptatives ? Plusieurs idées préconçues et bien implantées rendent compte des difficultés conceptuelles rencontrées au cours des nombreuses discussions à ce sujet.

On l’a vu, deux familles de conditions qui altèrent les protéines en tant qu’agents essentiels de la croissance sont à l’origine de nombreuses explications aux limites de l’espérance de vie. D’une part, l’expression génétique, qu’il s’agisse de la réplication, de la transcription ou de la traduction, est systématiquement sujette à des erreurs qui aboutissent à des formes altérées des protéines. D’autre part, ces protéines sont soumises à d’inévitables accidents chimiques. Cependant, une cause spécifique liée à leur nature polypeptidique a été négligée. En effet, l’idée d’une altération chronologique intrinsèque et inévitable des protéines qui contribuerait de manière significative à la longévité et à la génération de la descendance n’a pas été sérieusement considérée. À ce jour, cette contribution n’a été explorée que de façon marginale, sinon au travers des expériences qui sont rapportées ici et qui sont bien sûr très préliminaires. Nous avons souhaité souligner que cette altération inévitable des protéines est associée à un processus rarement invoqué : la mutagenèse due à l’implémentation physique de la transcription, déclenchée par la nécessité de synthétiser à nouveau les protéines défaillantes. Or, par nature, ce phénomène présente une composante anticipatrice significative, dont l’apport à l’évolution des espèces n’est pas invraisemblable.

En effet, les conséquences de ce changement inévitable confèrent à la transcription des entités en cause un caractère récursif, donc innovant (Hofstadter, 1979), l’associant alors à leur adaptation. Le fait que les protéines aient une durée de vie intrinsèque directement associée à leur séquence polypeptidique est une propriété remarquable, puisque cette demi-vie est certainement ajustable à la suite de mutations. Par conséquent, elle constitue une cible possible, mais inattendue, pour la sélection naturelle. Alors qu’il s’agit dans le présent travail d’une simple conjecture fondée sur un ensemble d’observations cohérentes, il serait intéressant de construire un modèle abstrait pour tester la plausibilité de l’ajustement, par sélection naturelle, de la demi-vie de protéines cruciales à la longévité féconde d’une espèce modèle. On devrait par exemple examiner si, et comment, soumise initialement à une variation répondant purement au hasard, la durée de vie d’agents collaborant à la réalisation d’une même fonction est similaire, et s’ils tendent à se renouveler au même rythme. Cela pourrait précéder ou apparaître en parallèle avec l’émergence de moyens de réguler leur co-expression (c’est l’un des rôles de la régulation des opérons par exemple). Ce type d’évolution est illustré dans notre étude par la présence de mutants révélant l’évolution concertée de plusieurs fonctions métaboliques cruciales. Et, si les protéines peuvent évoluer en ajustant leur durée de vie à une fonction particulière, cela permettrait à la sélection naturelle de l’ajuster progressivement et ainsi de l’adapter aux différents âges de la vie. Vivre longtemps n’a d’importance sélective que si cela va de pair avec la possibilité que les individus vieillis soient en mesure de produire ou au moins d’aider à produire une descendance viable. On peut alors considérer que c’est ce qui rend compte des voies métaboliques identifiées dans notre expérience.

Ici, marcher vers la mort n’est pas seulement une inévitable destinée pour les individus, c’est aussi, dans certains contextes, le moyen de produire de nombreux variants limités à des voies spécifiques leur permettant d’anticiper l’apparition de certains traits imprévisibles de l’environnement. Cet aspect sous-estimé, ou même ignoré, de l’information temporelle portée par les protéines devrait être au centre d’une nouvelle interprétation de la théorie de la sélection naturelle. Une conséquence importante de cette approche est que, bien qu’elle reconnaisse en principe le rôle positif du vieillissement, cela ne signifie pas pour autant que les protéines impliquées dans ce processus doivent nécessairement exercer des fonctions métaboliques identiques chez différents organismes. La seule chose qui importe, c’est qu’une famille de protéines importantes participe à l’évolution par le biais de leur durée de vie. Si notre conjecture est correcte, cela expliquerait pourquoi les mécanismes précis du vieillissement varient d’un organisme à l’autre, ce qui rend l’étude de ce processus particulièrement difficile, mais fascinante.

Pour finir, il n’aura pas échappé à ceux qui explorent les applications de la biologie de synthèse que des variations du modèle expérimental que nous avons proposé pourraient être utilisées pour mettre au jour des voies métaboliques ignorées, et, en utilisant des constructions synthétiques, les diriger vers de nouvelles fonctions, par exemple en ajoutant des composés artificiels au milieu de croissance. Par ailleurs, modifier sciemment et à volonté la durée de vie d’une protéine bien choisie pourrait permettre d’isoler de nouvelles familles de mutations adaptatives qui nous renseigneraient sur les cycles fonctionnels présents dans la cellule, aussi bien dans des organismes naturels que dans des organismes issus de la biologie synthétique.

Remerciements

Nous dédions ce travail à la mémoire d’Agnès Ullmann, dont la contribution scientifique aux premières étapes de la biologie moléculaire est souvent sous-estimée, pour son soutien constant aux idées nouvelles et aux expériences associées. AD a conçu le plan de l’expérience présentée ici et réalisé l’expérience qui a servi de base au cours de microbiologie générale de l’Institut Pasteur dirigé par Agnès Ullmann, comme cela est mentionné dans le texte. Il a rédigé la première mouture du manuscrit. AS, lorsqu’elle était directrice du laboratoire de la société Stellate Therapeutics (aka AMAbiotics SAS) désormais disparue, a construit la souche AMB1655 ainsi que ses dérivés, puis conçu les conditions expérimentales permettant de réaliser dans la durée les expériences d’isolement et de caractérisation des mutants adaptatifs, ensuite développées en collaboration avec Morten Nørholm et ses collègues à Copenhague. Les expériences démontrant un effet inattendu de la réparation des résidus isoaspartates sur l’émergence de mutations adaptatives ont été développées de 2011 à 2018, et rapportées et discutées au cours de plusieurs conférences à l’université de Hong Kong et au BGI à Shenzhen. AD et AS ont validé la version finale du manuscrit. L’écriture de cet article n’a bénéficié d’aucun financement.

Déclaration d'intérêts

Les auteurs ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d’une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n’ont déclaré aucune autre affiliation que leur organisme de recherche..