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Le Conseil européen de la recherche (CER) financera les recherches du Prof. Anupam Sengupta sur la manière dont les bactéries interagissent avec la lumière et la contrôlent, ainsi que sur les possibilités de nouvelles technologies d’imagerie. La subvention de 2,4 millions d’euros permettra de financer des analyses microscopiques et spectroscopiques avancées, afin d’étudier à la fois les bactéries cultivées en laboratoire et celles provenant d’écosystèmes naturels. .
Lever le voile sur comment les bactéries gèrent et capturent la lumière
La lumière se comporte généralement de manière prévisible dans le monde naturel, se propageant dans l’air, l’eau ou à travers le verre. Mais une récente découverte du Prof. Anupam Sengupta, directeur du Physics of Living Matter Group, laisse entrevoir quelque chose de bien plus surprenant : certaines bactéries pourraient modeler et guider la lumière à l’intérieur de leur propre corps. Cette capacité provient de minuscules structures granulaires présentes dans les cellules, que l’on pensait auparavant servir uniquement d’organites de stockage d’énergie qui s’activent lorsque les nutriments sont limités.
Cette découverte ouvre une nouvelle perspective sur la manière dont les bactéries interagissent avec la lumière et pourrait inspirer de nouvelles technologies d’imagerie, par exemple des méthodes qui permettraient aux scientifiques d’observer des tissus vivants ou des cellules tumorales sans avoir recours à des lasers puissants.
Afin d’explorer cette nouvelle dimension des interactions entre la lumière et la matière, le professeur Anupam Sengupta s’est vu attribuer la prestigieuse bourse ERC Consolidator Grant (ERC-CoG) d’une valeur de 2,4 millions d’euros par le Conseil européen de la recherche, pour son projet MicroPAS : Microbial Photonics Across Scales.
« Lorsque nous avons observé comment ces globules interagissaient avec la lumière, il est apparu clairement qu’ils pouvaient faire bien plus que simplement stocker des nutriments », explique Prof. Sengupta. « Cela soulève la possibilité passionnante que les cellules modèlent la lumière à l’intérieur de leur structure biophysique, un phénomène que nous ne nous attendions pas à trouver chez les microbes. La lumière peut désormais être capturée et « piégée » à l’intérieur des cellules ! Grâce à ces lentilles miniatures, même une source lumineuse de faible puissance peut nous permettre d’éclairer ce qui se trouve à l’intérieur. »
Comparaison entre des bactéries issues d’environnements contrôlés et naturels
MicroPAS intégrera une microscopie avancée et une analyse spectroscopique pour examiner à la fois des bactéries cultivées en laboratoire et celles issues d’écosystèmes naturels tels que le lac Cadagno en Suisse et le lac Stechlin en Allemagne. Prof. Sengupta observe ces écosystèmes aquatiques naturels depuis près d’une décennie. Ils offrent des conditions uniques où la disponibilité de la lumière régit les interactions et les rétroactions, ce qui influence en fin de compte la façon dont les espèces qui exploitent la lumière se développent et survivent. Les expériences, complétées par une modélisation numérique basée sur des données, ouvriront la voie à une toute nouvelle classe de systèmes basés sur la lumière et inspirés par la biologie. Ce cadre pourrait déboucher sur des « circuits photoniques vivants », dans lesquels les organites contrôlent, guident et même programment les trajets de la lumière à l’intérieur des cellules vivantes.
‟ La nature nous révèle souvent sa beauté et ses mystères, mais seulement si nous sommes assez patients pour les observer de près.”
Associate professor, FNR ATTRACT Fellow
Quand les microbes deviennent des ingénieurs de la lumière
Les micro-organismes phototrophes, des espèces qui utilisent la lumière du soleil pour stimuler leur métabolisme, comme les bactéries pourpres du soufre, sont à la base de nombreuses chaînes alimentaires aquatiques. Leur capacité à capter efficacement la lumière est cruciale pour leur survie. Traditionnellement, les chercheurs ont étudié la manière dont les micro-organismes interagissent avec la lumière principalement par le biais de la photosynthèse, un processus biochimique bien connu par lequel l’énergie du soleil est convertie en énergie chimique utilisable, qui alimente finalement les divers besoins métaboliques d’une cellule.
Mais les recherches d’Anupam Sengupta suggèrent qu’il y a davantage à découvrir. Curieusement, il a également détecté de tels organites manipulant la lumière dans des bactéries non phototrophes, mais ces structures internes n’ont jamais été explorées au-delà de leur rôle d’unités de stockage d’énergie. Par exemple, de nombreuses bactéries vivant dans l’intestin humain ou dans des environnements extrêmes comme les cheminées hydrothermales, abritent de minuscules globules composés de soufre élémentaire ou de carbonates. Ces globules peuvent être optiquement actifs, bien que jusqu’à présent, les scientifiques pensaient que les bactéries les utilisaient uniquement pour le stockage ou pour contrôler leurs mouvements dans les environnements aquatiques. L’équipe du professeur Sengupta remet aujourd’hui en question cette croyance de longue date. Dans une découverte récente, elle a trouvé des preuves que ces globules modifient directement la lumière à l’intérieur des cellules, influençant ainsi le fonctionnement, les mouvements ou le stockage d’énergie des bactéries.
Renverser la question : comment la croissance et le mouvement influencent-ils la lumière à l’intérieur des bactéries ?
Il est bien connu que la lumière provenant de l’environnement peut influencer la croissance et le comportement des bactéries. Mais on en sait beaucoup moins sur l’inverse : comment les changements physiques à l’intérieur de ces bactéries, tels que la forme, la taille ou l’empilement des organites, peuvent à leur tour affecter le trajet de la lumière qui pénètre dans une cellule.
« Ces organismes vivent dans des environnements très dynamiques, notamment dans le contexte actuel de changements climatiques rapides et d’évolution des modes de vie », explique le professeur Sengupta. « En les étudiant à différents stades de croissance et dans des conditions écologiques pertinentes, nous pouvons commencer à comprendre comment leurs mondes physique et biologique s’entremêlent. Ces connaissances permettront de développer la prochaine génération de systèmes inspirés de la nature, offrant des possibilités sans précédent pour les technologies photoniques biosourcées de demain. »
Guidage intracellulaire de la lumière : la méthode microbienne !
Comprendre comment la lumière se comporte au sein d’une seule cellule vivante pourrait transformer les applications guidées par la lumière, notamment les communications à haut débit et l’informatique économe en énergie. À plus long terme, compte tenu du rôle essentiel que jouent les bactéries dans les flux énergétiques locaux et mondiaux, MicroPAS permettra de découvrir le rôle des organites intracellulaires optiquement actifs dans les cycles énergétiques à différentes échelles. Toute nouvelle connaissance sur les stratégies internes de guidage de la lumière redéfinira fondamentalement le rôle de ces micro-organismes dans une série d’écosystèmes où la lumière est limitée ou inégalement répartie.
‟ Avec MicroPAS, nous avons une occasion unique d’explorer une dimension de la vie microbienne qui reste totalement inconnue. Cela nous rappelle que même les organismes les plus simples peuvent receler de nombreuses surprises. Comme l’a dit un jour le physicien Richard Feynman, « il y a beaucoup de place au fond » ; un adage qui inspire depuis longtemps les recherches interdisciplinaires que nous menons dans mon équipe. Cela est d’autant plus pertinent aujourd’hui que nous nous préparons à explorer et à redéfinir les interfaces entre la physique et la biologie, grâce à cette bourse ERC-Consolidator !”
Associate professor, FNR ATTRACT Fellow