L'AIR À L'INTÉRIEUR DE LA GROTTE DE SOUFRE à Steamboat Springs, dans le Colorado, regorge de sulfure d'hydrogène toxique et de niveaux mortels de dioxyde de carbone. La caverne, bloquée par une clôture à trois planches, a accueilli peu de visiteurs. Anciennes éditions du Steamboat Pilot Le journal détaille les quelques expéditions précédentes, comme lorsque les spéléologues des années 1930 portant des masques à gaz ne pouvaient pénétrer à l'intérieur que par à-coups de quatre minutes. Ou quand un spéléologue des années 1960 avec une alimentation en oxygène s'est poussé, convulsé, vers l'entrée et a dû être traîné à l'air frais.
David Steinmann n'était cependant pas intimidé. "Le gaz le plus mortel est en fait celui qui jaillit du soda", dit-il en souriant. Steinmann, consultant en environnement et associé de recherche au département de zoologie du Denver Museum of Nature &Science, est également pompier volontaire et très habitué aux espaces inhospitaliers.
Enfiler l'équipement de protection requis pour tout voyage sous terre ressemblait à enfiler un appareil respiratoire pour combattre les flammes. C'était en 2007, et un groupe du Colorado de la National Speleological Society avait organisé une expédition dans la grotte, enrôlant 10 experts pour étudier la géologie, la biologie, l'histoire et la chimie de l'eau de cet étrange espace. Steinmann était là pour flairer de nouvelles espèces. C'est un peu son affaire. Il a découvert plus de 100 organismes auparavant non identifiés. Et ce jour-là, il y a 14 ans, Sulphur Cave était sur le point d'en découvrir un autre.
Steinmann se souvient que les autres scientifiques l'ont laissé partir en premier, avant de ramper sur des choses ou de déranger quoi que ce soit. Équipé, il se précipita dans l'entrée - de la taille d'un bain à remous et au ras du sol. C'était boueux, puis humide, glissant et grossier, descendant finalement à 25 pieds sous la surface et mesurant environ 180 pieds de long. Son favori. Les endroits désagréables, il le savait, sont ceux où les êtres nouveaux se font une belle vie.
Alors que Steinmann continuait, il a reconnu des colonies de microbes suspendus au plafond, dégoulinant d'acide muqueux qui pourrait brûler un trou à travers une chemise et donner à la peau ce qu'il appelle en plaisantant "un petit coup de soleil". Appelés snottites (les spéléologues ont le sens de l'humour), ces organismes survivent aux composés soufrés toxiques pour nous.
Lorsque Steinmann s'est enfoncé plus loin, il a rapidement vu une source s'accumuler dans deux bassins, chacun d'environ 5 pieds de diamètre et plus toxique avec du sulfure d'hydrogène que les évents volcaniques au fond de l'océan. Et dans les mares, des vers. Des dizaines de milliers de minuscules tubes rouges qui se tortillent, regroupés par centaines. Longs d'un pouce ou deux et aussi larges qu'un crayon à mine de plomb, ils ressemblaient, dans l'ensemble, presque à des anémones de mer ou à des cheveux d'ange trop amidonnés. "Je n'avais jamais rien vu de tel auparavant dans ma vie", dit-il. « C'était un environnement très inhabituel. Et j'ai juste pensé, Ça doit être quelque chose de nouveau ."
Steinmann avait raison :après des années d'analyse, lui et une équipe de chercheurs ont pu annoncer que ces créatures de couleur sanguine, maintenant appelées Limnodrilus sulphurensis , étaient une toute nouvelle espèce, trouvée jusqu'à présent uniquement dans cette grotte et une source chaude à proximité.
Mais en plus d'être simplement nouveaux, les vers pourraient être utilitaires. L. sulfurensis font partie d'une classe d'organismes appelés extrêmophiles, un terme pour les êtres qui prospèrent dans les franges lointaines où les humains ne le font généralement pas. Certains aiment le sel. D'autres embrassent la frigidité. D'autres encore baignent dans la radioactivité, la métallicité, l'acidité, la chaleur, la sécheresse, l'obscurité. Il s'avère qu'ils produisent souvent des produits chimiques que les humains peuvent utiliser pour rendre notre existence relativement apprivoisée encore plus confortable.
Les fruits du travail silencieux et évolutif des extrêmophiles vont maintenant dans tout, du détergent à la médecine. Mais les wrigglers exotiques en particulier semblent être des sources prometteuses d'antibiotiques, ceux qui pourraient même agir contre les agents pathogènes résistants aux médicaments. Ayant vécu avec des colonies de bactéries dont elles ont à la fois besoin et qu'elles doivent combattre, les créatures ont peut-être développé des mécanismes d'adaptation biochimiques qui pourraient se retrouver dans les pilules que vous achetez à la pharmacie.
Apprendre comment les extrêmophiles pourraient aider la société moderne nécessite que quelqu'un les découvre, étudie leur utilité potentielle, puis reproduise leurs habitudes naturelles dans un cadre industriel. Aucune de ces tâches n'est petite ou ne peut être accomplie en peu de temps, c'est pourquoi, 14 ans après la découverte de Sulphur Cave, le processus consistant à déterminer si ou comment L. sulfurensis pourrait s'avérer utile continue. La première étape de ce processus est souvent glissante, malodorante et désordonnée - dans les endroits sur Terre où les gens étaient le moins censés être. Dans ces endroits, l'innovation biologique se cache, vivant comme elle le fait depuis des éternités. "Il reste encore beaucoup à découvrir", déclare Steinmann, "et beaucoup d'inconnues".
Dans Sulphur Cave, Steinmann s'est penché pour ramasser des échantillons de vers et les déterrer de leur horrible habitat. Quelqu'un d'autre a recueilli des données sur la microbiologie de la chambre, sa soupe bactérienne - le mélange même dans lequel les créatures avaient dû développer des défenses pour vivre. À proximité, un explorateur et cartographe vétéran des cavernes profondes est entré dans une fissure et est réapparu les mains vides, le visage rouge et à peine capable de respirer, couvert de glu.
AUJOURD'HUI, LES PRODUITS CHIMIQUES DE les extrêmophiles entrent dans le lait sans lactose, les insecticides, les lessives, les pigments, les biocarburants. Mais les gens se sont tournés vers eux pour obtenir de l'aide pendant des milliers d'années. "Les halophiles sont techniquement mentionnés dans la Bible", explique James Coker, directeur du Center for Biotechnology Education de l'Université Johns Hopkins, faisant référence aux organismes qui aiment le sel. Les scribes de l'Ancien Testament ne mentionnaient pas les halophiles par leur nom, bien sûr. Le mot germe n'avait encore été prononcé dans aucune langue. Mais jetez un coup d'œil sur la récolte du sel, dit Coker :Ces humains d'il y a longtemps savaient que c'était l'époque de l'exploitation minière lorsque les cristaux sont devenus rouges - un changement causé par des micro-organismes dont le pigment les protège du soleil. Certains halophiles peuvent vivre heureux dans une eau 10 fois plus saline que l'océan; d'autres -philes occupent également des niches supplémentaires, comme les piscines de refroidissement des réacteurs nucléaires. "Pour eux, bien sûr, ce n'est pas extrême", déclare Coker. « C'est là qu'ils habitent. C'est comme si on nous demandait :"Comment pouvez-vous vivre à 75 degrés ?"
Les personnes qui partent à la recherche de telles bêtes sont parfois appelées bio-prospecteurs. Ils parcourent le globe pour trouver des organismes qui vivent in extremis. "Ils creusent dans la terre, prélèvent des échantillons de glace dans l'Antarctique, vont dans les lacs étranges d'Australie et de Yellowstone, et collectent simplement des choses, puis reviennent au laboratoire et essaient de déterminer si c'est nouveau ou non", explique Cokeur.
Après que Steinmann soit sorti de Sulphur Cave, il est entré en contact avec un expert en vers du United States Geological Survey, qui a réuni une équipe internationale pour identifier et caractériser les nouilles cramoisies sans yeux. Basés dans six universités de Boulder, Colorado, à Rostock, Allemagne, ils étaient biologistes, zoologistes, physiologistes moléculaires, géologues, spécialistes des vers. Steinmann et le contingent du Colorado sont retournés à la source trois fois de plus pour recueillir des échantillons supplémentaires et effectuer des études environnementales.
Après une expédition en 2009, Steinmann a emballé des vers conservés dans de l'alcool éthylique et les a envoyés en Europe pour une analyse ADN. Il a également expédié un lot de spécimens vivants dans un récipient aéré rempli d'eau de grotte et d'algues. Ils s'y sont mis. "C'est facile de vivre, dans cet aquarium avec de l'oxygène et de la nourriture", dit-il, "par rapport à cette grotte folle."
Les nutriments, dans ces espaces sombres et froids, sont difficiles à trouver, explique Steinmann, assis dans une aire de restauration du Colorado entourée de calories faciles. Dans les grottes creusant les montagnes juste à l'ouest de lui, la plupart des organismes puisent leur énergie dans le caca d'animaux plus gros qui s'aventurent sous terre - rats de meute, marmottes, randonneurs - ou dans la bûche en décomposition occasionnelle qui tombe par l'entrée. Ces déchets, cependant, peuvent coller au sol jusqu'à l'épaisseur d'un pied, enfermés à la fois dans le temps et dans l'espace comme des strates rocheuses.
Steinmann n'a pas toujours été sensible à la vie extrême des grottes. Le bug d'une telle exploration l'a mordu dans les années 1990, lorsqu'une convention de spéléologie est venue au Colorado, amenant avec elle le biologiste des cavernes David Hubbard, qui avait plongé sous la surface dans tout l'État. "En une semaine, il a découvert environ 10 nouvelles espèces", explique Steinmann.
À l'époque, il travaillait comme biologiste des cours d'eau, recueillant et analysant des invertébrés et des punaises d'eau. À la tête d'une entreprise appelée Professional Wetlands Consulting, il a réalisé des projets pour le US Forest Service, des terrains de golf, des stations de ski, des lotissements et des systèmes scolaires, qui ont tous besoin de cartes des limites des zones humides, d'analyses environnementales et d'inventaires d'espèces pour comprendre l'impact. la construction ou l'agrandissement auront sur les zones aqueuses. Brouiller et glisser sous terre n'était que son passe-temps occasionnel, auquel il s'adonnait depuis le lycée. Mais comme un éboulement, une idée lui est venue :il pouvait allier travail et loisirs. « J'ai juste commencé à chercher la vie », se souvient-il. Maintenant, en tant qu'associé de recherche au Denver Museum of Nature &Science, Steinmann a révélé des dizaines d'organismes jusque-là inconnus sous terre dans le Colorado. C'est un expert dans la découverte de nouvelles choses, mais il laisse l'investigation approfondie en laboratoire sur les applications potentielles pour les autres. C'est plus un bio-voyeur qu'un bio-prospecteur.
De l'autre côté de l'étang, le chercheur Christer Erséus de l'Université de Göteborg en Suède a été chargé de faire des analyses génétiques sur L. sulfurensis vers. L'équipe a étudié le réseau de vaisseaux des créatures qui absorbent facilement peu d'oxygène. Leurs fluides vitaux ont des capacités élevées de liaison à l'oxygène. "Je plaisante toujours en disant que certains athlètes aimeraient avoir du sang de vers", déclare Steinmann. Mais les gribouillis étaient fins comme de la dentelle et longs, ce qui rendait le tirage délicat.
En un mois, les résultats ADN sont revenus. Les vers ne ressemblaient à rien que personne n'avait jamais vu auparavant. Mais même avec cette certitude génétique, rassembler suffisamment d'informations pour annoncer et caractériser une nouvelle espèce est une épreuve. Il a fallu neuf ans au groupe, qui travaillait également sur d'autres projets, pour établir la place taxonomique de l'espèce et publier des articles dans Zootaxa et Hydrobiologie détaillant son existence, ses caractéristiques anatomiques et sa maison :l'endroit le plus désagréable de Steamboat Springs.
PEU DE LONG APRÈS publication en 2016, Steinmann s'est associé à une chercheuse française nommée Aurélie Tasiemski, spécialisée dans le potentiel antibiotique des vers extrêmes.
L. sulfurensis n'est pas comme les créatures avec lesquelles Tasiemski travaille normalement. Biologiste et professeure associée au Centre d'infection et d'immunité de Lille, Institut Pasteur de Lille dans le nord de la France, elle se concentre sur les plus petits, généralement issus d'environnements marins. Mais cette variété américaine a capturé ses pensées à cause de sa ferme sulfureuse. "D'après mon expérience, les vers vivant dans des habitats aussi extrêmes sont des sources intéressantes de nouveaux antibiotiques", déclare Tasiemski, qui a été la première scientifique à étudier le potentiel antimicrobien des vers exotiques, publiant son premier article sur les prouesses antibiotiques des sangsues ordinaires en 2004 et son premier article. sur un étrange ver de mer en 2014.
Steinmann a proposé de lui envoyer du L. sulfurensis à étudier et à partir desquels extraire peut-être des peptides antimicrobiens - des composés constitués d'acides aminés qui peuvent éliminer les bactéries. Mais cela nécessitait des spécimens frais et vivants, et les collecter nécessitait de planifier une autre expédition, d'obtenir des permis de Steamboat Springs, de rassembler une équipe, de prendre les précautions qui maintiennent un en vie dans Sulphur Cave, puis d'expédier avec succès les vers en Europe. Avec le travail à temps plein de Steinmann et d'autres expéditions de spéléologie, ainsi que les complications de la pandémie, la nouvelle récolte prend du temps. Mais il prévoit d'envoyer des vers outre-Atlantique en 2022.
Une fois les frétillants arrivés, Tasiemski saura exactement quoi faire. Elle étudie des vers inhabituels depuis le début de sa carrière, en commençant par les sangsues vers 2000, puis en passant aux squirmers des évents hydrothermaux océaniques dans les années 2010. « J'étais très intéressée par la biologie des organismes atypiques », dit-elle. "Je pense que c'est parce que tout le monde ne se soucie pas d'eux." Elle aime les outsiders sous-marins et voulait comprendre comment les vers auraient pu s'adapter pour vivre dans ce qu'elle appelle "des environnements physiques aussi fous".
La réponse, qu'elle a découverte et publiée pour la première fois en 2014, est qu'ils peuvent coexister avec des bactéries qui les aident - comme notre microbiome nous aide - et zapper les bactéries qui les gêneraient. Ils ont spécifique immunité, capable de produire des peptides qui ne ciblent que les méchants. Elle a découvert de tels composés (que les humains possèdent également) dans Alvinella pompejana , également appelé ver de Pompéi, qui pourrait fonctionner comme antibiotique pour des agents pathogènes particulièrement nocifs. Après deux croisières de collecte dans l'East Pacific Rise, une frontière de plaque tectonique, en 2010 et 2012, il lui a fallu trois mois pour trouver et purifier leurs peptides. Elle a immédiatement breveté les deux idées.
Tasiemski et ses collègues, dont l'ancien étudiant diplômé Renato Bruno, ont passé des années à s'aventurer dans l'océan à la recherche de spécimens supplémentaires. « Le problème, c'est que pour environ 1 000 vers, il faut passer des semaines et des semaines d'échantillonnage », explique Bruno. Après avoir acquis les animaux, ils doivent les congeler immédiatement sur le bateau et les garder au froid jusqu'à leur retour au laboratoire. (Parfois, d'autres bio-prospecteurs ramènent des créatures vivantes dans leurs laboratoires, où ils favorisent leur croissance et leur reproduction et voient en temps réel quels composés ils produisent.)
L'équipe de Tasiemski trie les wrigglers des grains de sable marin, dont la taille n'est pas différente de la leur. Séparés, les vers doivent ensuite être broyés en une sorte de pâte, une action que Tasiemski mime avec un mouvement comme celui d'écraser des herbes avec un mortier et un pilon.
La pâte contient tout ce que la créature a à offrir, et son équipe ne veut que les peptides antimicrobiens. Heureusement, ceux-ci ont une petite dimension spécifique. Un équipement de laboratoire spécialisé appelé chromatographe en phase liquide à haute performance analyse chaque composant en recherchant des molécules précises. Les chercheurs mélangent l'échantillon avec un solvant liquide, que la machine pompe à travers un matériau solide. Le solide attrape des particules de différentes tailles et compositions de différentes manières, les séparant comme un tamis de haute technologie.
Des peptides purs isolés atterrissent dans des boîtes de Pétri chargées de bactéries. Après un jour ou deux, si le composé a fonctionné, le plat montre un anneau extérieur germinatif et un disque vierge au milieu où la défense a vaincu la bactérie.
Le laboratoire de Tasiemski analyse les structures et les propriétés antibactériennes de peptides prometteurs. Cela leur permet d'identifier les compositions moléculaires qui les aident à conserver leur effet antibiotique dans des conditions salines, acides, chaudes, froides ou à haute pression. "Nous avons trouvé une corrélation entre la structure de la molécule et l'environnement dans lequel se trouve le ver", explique Bruno. Certaines constructions ont évolué pour fonctionner dans des conditions spécifiques - et toutes ces adaptations pourraient potentiellement être exploitées pour la robustesse humaine. Les peptides antimicrobiens semblent fonctionner particulièrement bien contre les agents pathogènes dits ESKAPE, six germes supervirulents qui sont également résistants aux antibiotiques.
Les scientifiques connaissent les peptides antimicrobiens du monde naturel et leurs applications pour l'immunité humaine depuis le début des années 1980 et en ont depuis découvert plus de 3 000. Cependant, seuls quelques dizaines de ces composés proviennent de vers.
Les adaptations biochimiques des wrigglers sont prometteuses en partie parce qu'ils vivent dans des endroits où ils n'entrent jamais en contact avec des bactéries qui blessent les humains. Leurs propriétés sont donc nouvelles pour les germes qui nous rendent malades. "La bactérie ne sait pas comment s'échapper", explique Tasiemski. De plus, les peptides des vers, généralement produits par leur peau, peuvent résister aux températures extrêmes de l'environnement extérieur, ce qui signifie qu'ils n'ont pas besoin d'ultraréfrigération comme beaucoup de ces ingrédients médicinaux. « Vous pouvez les garder sur la table », dit-elle. Cela signifie également que les futurs antibiotiques ne seront pas endommagés par la température d'un corps humain fiévreux, comme le sont certains médicaments.
Une fois que son laboratoire a isolé et caractérisé les peptides, Tasiemski n'a pas besoin de cultiver des vers pour obtenir plus de leurs produits chimiques. Ils peuvent être synthétisés.
Aujourd'hui, Tasiemski teste ses peptides brevetés sur des souris, ce qui prendra environ deux ans. S'ils réussissent bien dans le monde des rongeurs, les essais finiront par passer aux humains. Ce travail direct sur les patients reviendra à quelqu'un d'autre et, s'il réussit, nécessitera des partenariats avec des fabricants de produits pharmaceutiques, à la fois pour les tests et la production à grande échelle. "Pour le moment, nous n'avons pas besoin d'être associés à une grande entreprise", dit-elle. "Mais nous allons en avoir besoin."
Tasiemski espère que l'enquête sur le ver sulfureux de Steamboat Springs se révélera tout aussi fructueuse. Mais elle aime plus le frisson de la découverte que la recherche d'applications. "Wow, je suis le premier à les voir », se souvient-elle en pensant à ses propres découvertes, comme de nouveaux évents hydrothermaux dans l'océan Pacifique. C'était étrange, flottant dans l'eau, de penser qu'aucun humain n'avait jamais posé les yeux sur ces endroits auparavant. Et c'était étrange de penser qu'en comprenant la survie des organismes là-bas, elle pourrait nous aider avec la nôtre.
À CE JOUR, la FDA n'a approuvé que sept des plus de 3 000 peptides antimicrobiens connus pour une utilisation dans les produits pharmaceutiques, comme la pommade en vente libre Neosporin. Tous provenaient de bactéries non extrêmes ou de dérivés d'autres peptides de ce type et ont passé environ 15 ans ou plus en développement entre la découverte et l'approbation. Bien que les scientifiques en aient étudié d'autres, ces enquêtes ont échoué avant les essais cliniques. Parfois, les peptides n'étaient pas aussi efficaces en laboratoire qu'ils le semblaient dans leur environnement naturel. Parfois, ils avaient des effets susceptibles d'être toxiques sur la biochimie humaine. Parfois, ils étaient instables.
Atteindre le stade clinique représente son propre obstacle :des chercheurs comme Tasiemski doivent confier la tâche à des chercheurs ayant des liens, sinon avec les grandes sociétés pharmaceutiques, du moins avec les petites sociétés pharmaceutiques. Les explorateurs comme Steinmann, les universitaires comme Tasiemski et les industriels qui pourraient apporter leur travail à un public plus large occupent des niches différentes. Cela prend beaucoup de temps, quand cela arrive du tout. Mais à l'échelle de l'évolution des animaux extrêmophiles, c'est, suppose-t-on, un clin d'œil annélide.
Mais le mouvement des extrêmophiles pour le capitalisme fusionnera, soutient Coker de Johns Hopkins. "Cela va arriver", dit-il. Il y a trop de potentiel caché dans les évents et les grottes, et trop d'argent à gagner, pour que les secrets de la nature restent cachés. Et Coker réfléchit encore plus loin, à la façon dont les choses pourraient se passer lorsque les humains iront sur Mars et chercheront la vie dans un endroit qui connaît les extrêmes de sécheresse froide de la Terre.
Steinmann, cependant, reste fermement ancré sur - et aussi profondément à l'intérieur - de cette planète, et il espère trouver encore plus d'êtres qui se sont creusé des cavernes écologiques. "Beaucoup de choses sont inconnues ici, dans notre propre arrière-cour en Amérique", dit-il en regardant à travers l'aire de restauration. "J'ai trouvé de nouvelles espèces dans mon tas de bois."
Pour repérer ces surprises, il suffit de se salir et de regarder de plus près, pour voir que le monde n'est pas aussi cloué qu'il y paraît, qu'il y a un potentiel de bouillonnement dans les flaques d'eau et les fissures :la vie, vivant dans ses propres conditions idéales, dont les difficultés peut nous aider. "Nous pouvons voler tous leurs secrets", déclare Steinmann.
Cette histoire a été publiée à l'origine dans le numéro Messy du printemps 2022 de PopSci. Lire plus d'histoires PopSci+.
