Bac Spécialité SVT 12 septembre 2024 Métropole (session de rattrapage)

Exercice 2 : (8 points) Génétique et évolution - Les Tardigrades, des organismes super-résistants


Face ventrale de Ramazzottius varieornatus en microscopie électronique (0,3 mm). Crédit: NASA.
 
Les Tardigrades forment un groupe d’animaux pluricellulaires de taille millimétrique vivant dans des écosystèmes très divers. Certaines espèces telles que Ramazzottius varieornatus et Paramacrobiotus spatialis sont réputées pour leur capacité à survivre à des conditions environnementales extrêmes (températures comprises entre -272 et 150°C, fortes pressions...).

Des études ont montré que des mécanismes de complexification du génome sont impliqués dans cette résistance.

Expliquez comment certains Tardigrades sont devenus capables de résister à des conditions extrêmes de l’environnement.

Vous organiserez votre réponse selon une démarche de votre choix intégrant des données des documents et les connaissances utiles.

document 1 : la cryptobiose, une adaptation aux conditions extrêmes

La survie des Tardigrades à des conditions environnementales extrêmes est permise par diverses adaptations dont la cryptobiose, décrite par le schéma ci-dessous. Dans les trois cas, l'animal perd une grande quantité d'eau, prenant la forme d’un tonnelet (petit tonneau), et devient inactif. Quand les conditions sont à nouveau favorables, il se réhydrate et son métabolisme reprend normalement.
d'après 2012. Pour la Science 413 (American Scientist).

document 2 : R.O.S. et cryptobiose

Certaines réactions chimiques du métabolisme cellulaire s'accompagnent de la production de R.O.S. (pour reactive oxygen species): il s’agit de dérivés de l'oxygène, tels que les radicaux libres ou le peroxyde d'hydrogène H2O2, chimiquement très réactifs. Un excès de R.O.S. dans les cellules est ainsi source de nombreux dommages comme une altération de l'ADN ou une détérioration des membranes. Une étude expérimentale a permis d'évaluer la production de R.O.S. dans des cellules du Tardigrade Paramacrobiotus spatialis en état de cryptobiose. Pour ce faire, des cellules du Tardigrade ont été incubées durant 45 minutes en présence d’une sonde fluorescente puis observées au microscope, l'intensité de la fluorescence révélant la quantité de R.O.S. produit.

Des mesures ont été ainsi effectuées sur différents lots de cellules:
- Ctr: lot formé de 138 cellules provenant d'animaux normalement hydratés;
- D1R3: lot formé de 46 cellules provenant d’animaux déshydratés depuis 1 jour;
- D20R3: lot formé de 78 cellules provenant d’animaux déshydratés depuis 20 jours.
Les barres d’incertitudes indiquent la variabilité des résultats obtenus.

d'après Ilaria Giovannini & al.. 2002. Production of R.O.S. and involvement of bioprotectants during anhydrobiosis in the Tardigrade Paramacrobiotus spatialis. Sci Rep. 2022 Feb 4;12:1938. DOI: 10.1038/s41598-022-05734-6

document 3 : mesure de l’activité de la catalase chez un Tardigrade

Des enzymes appelées catalases sont impliquées dans la neutralisation des R.O.S. en catalysant des réactions telles que:
H2O2 → H2O + O2.

Le graphique présente des résultats de mesures de l'activité de la catalase présente dans l'organisme du Tardigrade de l'espèce Paramacrobiotus spatialis soumis à différentes conditions:
- Ctr: lot formé de 50 animaux normalement hydratés;
- Dry: lot formé de 100 animaux déshydratés depuis un jour.
L'astérisque (*) indique une différence significative entre les résultats des deux lots. Les barres d'incertitudes représentent la variabilité des résultats obtenus.

d'après Ilaria Giovannini & al.. 2002. Antioxidant Response during the Kinetics of Anhydrobiosis in Two Eutardigrade Species. Life (Basel) 12(6):817. doi: 10.3390/life12060817

document 4 : la catalase de différents êtres vivants


Depuis le début du 20ème siècle, des découvertes successives ont permis d'établir la structure spatiale de la catalase de diverses espèces ainsi que sa séquence en acides aminés, montrant par ailleurs que certains êtres vivants produisent plusieurs catalases différentes.

document 4a : comparaison de la structure de différentes catalases

En général, cette enzyme est formée de quatre chaines semblables d'acides aminés, chaque chaine comprenant divers domaines. Sur le schéma comparatif ci-après chaque ligne présente de manière simplifiée les domaines d'une seule chaine de la catalase de plusieurs espèces d'êtres vivants pluricellulaires (l’être humain Homo sapiens, la Mouche du vinaigre Drosophila melanogaster, une espèce de ver de petite taille Caenorhabditis elegans et deux espèces de Tardigrades) ainsi que de deux espèces de bactéries.

Les catalases étudiées remplissent toutes la même fonction dans les cellules. Cependant on considère que les catalases les plus longues (telles que certaines catalases bactériennes comportant trois domaines) sont plus résistantes et capables de demeurer actives malgré des modifications chimiques ou physiques de leur environnement.

document 4b : arbre représentant les ressemblances entre les domaines A des catalases de différentes espèces d'êtres vivants

Les espèces de Tardigrades possèdent de nombreux caractères les classant au sein du groupe des animaux pluricellulaires. Cependant, si on représente le degré de ressemblance des séquences en acides aminés du domaine A de la catalase de différents êtres vivants, on obtient l'arbre:

d'après


document 5 : données fournies par la bioinformatique sur les catalases

Des programmes informatiques permettent d’analyser de très nombreuses séquences de protéines ou de gènes regroupées dans des banques de données afin d'établir leur degré de similitudes. Le tableau ci-dessous est extrait d’un fichier qui répertorie 19 676 séquences du génome du Tardigrade Ramazziottus varieornatus ainsi comparées à des séquences des génomes de diverses autres espèces d’êtres vivants. Ci-dessous sont présentés quelques exemples de gènes du Tardigrade pour lesquels une ressemblance particulièrement élevée avec des gènes d'autres êtres vivants a été établie.

Nom du gène de Ramazziottus varierornatus Nom de la molécule produite par l’expression du gène Nom du groupe d’êtres vivants auquel appartient la séquence avec laquelle le gène du Tardigrade présente la plus forte similitude
csnk2b Sous-unité bêta de la caséine-kinase Animaux pluricellulaires
clp a Peptidase B caséinolytique Animaux pluricellulaires
casp 7 Caspase 7 Animaux pluricellulaires
casp 7 Caspase 7 Animaux pluricellulaires
kat e Catalase 1 Bactéries
kat e Catalase 3 Bactéries
kat e Catalase 4 Bactéries
ldh Lactate déshydrogénase Animaux pluricellulaires
lic Sous-unité alpha du récepteur de l’acétylcholine Animaux pluricellulaires
lta a Thréonine-aldolase Animaux pluricellulaires

d'après Takuma Hashimoto & al.. 2016. Extremotolerant Tardigrade genome and improved radiotolerance of human cultured cells by tardigrade-unique protein. Nat Commun 7, 12808. DOI: 10.1038/ncomms12808

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