Impact des radiations ionisantes sur une bactérie et son évolution

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1 Impact des radiations ionisantes sur une bactérie et son évolution P. Micheau, A. Taravaud, G. Warrot, T. Hindré, M. Zampaolo, D. Sarramia V. Breton, L. Maigne,

2 Thématique de recherche PCSV Créer un modèle permettant de simuler l impact des radiations ionisantes sur une bactérie au cours de son évolution Modéliser les processus physiologiques permettant à une bactérie de vivre dans un environnement normal Modéliser les types de dommages engendrés par un traitement ionisant et la réponse d une bactérie à une irradiation Dommages des traitements ionisants sur l ADN (code GEANT4 DNA) et fréquence de mutation Effet de ces radiations sur les principaux processus physiologiques bactériens (vitesse de multiplication, production d énergie) Biologie : obtenir des données expérimentales à utiliser dans les modèles de simulation 2

3 Approches (1) Comportement bactérien face à une irradiation ponctuelle Taux de survie bactérien selon la dose d irradiation Effet d une irradiation ponctuelle sur la paroi de la bactérie Dose nécessaire pour avoir des dommages ADN Cassures double brin Cassures simple brin Oxydations de bases Oxydation de base Cassure simple brin Cassure double brin 3

4 Approches (2) Témoin / Référence : Evolution dans un environnement à très faible niveau radioactivité (Laboratoire Souterrain de Modane) Abstraction de la radioactivité ambiante (niveau 20 fois moins élevé, 5nSv/h) Recherche des propriétés bactériennes pouvant être modifiées au cours de l évolution dans cet environnement Sensibilité aux rayonnements ionisants Rapidité pour consommer le glucose Résistance à un antibiotique (liée à un taux de mutation) 4

5 Modèles utilisés Escherichia coli Bactérie non pathogène, Facile à cultiver Génome séquencé et fonction de ses protéines bien identifiée ADN 2048 pb d une partie du génome d E. coli 2x10 13 molécules ADN dans de l eau Double brin - géométrie linéaire 47,6% GC 52,4% AT 10µm 5

6 Conditions d irradiation Accélérateur linéaire de type NOVALIS (Varian Medical Systems) Energie 18 MV Champs d irradiation 20 x 20 Bras articulé à l horizontale ou à la verticale suivant les irradiations Débit de dose 8 Gy/min Dose allant de 10 Gy à 1000 Gy 6

7 Traitements des bactéries après irradiations Taux de survie Dénombrement des bactéries irradiées et non irradiées Calcul du pourcentage de survie selon la dose d irradiation Observations microscopiques Traitement des échantillons pour microscopie électronique à balayage Observation 7

8 Traitements des ADN après irradiations Protocoles de préparation des échantillons différents suivant que l on caractérise des DSB, SSB, ou SSB + bases oxydées Electrophorèse pour chacune des préparations Association ADN - molécule fluorescente et migration sous un champs électrique dans un gel de polyacrilamide Mesure de la quantité de fluorescence et du temps de migration d un point A à un point B Plus il y a d ADN plus il y a émission de fluorescence ADN fragmenté migre plus vite que les ADN non fragmenté Calcul de pourcentage d ADN fragmenté par des DSB, des ADN ayant au moins une SSB ou SSB + oxydation 8

9 Irradiation ponctuelle

10 Relation taux de survie / dose d irradiation Taux de survie E.coli MG1655 Taux de survie E.coli REL606 Plus la dose appliquée est élevée, plus la mortalité est importante 10

11 Observation de bactéries irradiées Témoin 10Gy 50Gy Changements de forme Oxydations des protéines 11

12 Détection de cassures doubles brins Irradiation ADN 2048pb 50 Gy Témoin non irradié 1000 Gy Les profils électrophorétiques sont strictement identiques. Aucun phénomène de cassures doubles brins mis en évidence 12

13 Détection de cassures simples brins Détection de Cassures simples brins (10-50Gy) Détection de Cassures simples brins ( Gy) 40% 35% 30% 25% 20% 15% Temoin 10 Gy 20 Gy 30 Gy 40 Gy 50 Gy 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% Temoin 100 Gy 200 Gy 500 Gy 1000 Gy 10% 10% Tendance à partir de 200 Gy : ADN contenant au moins une SSB détectable 13

14 Détection des oxydations de bases et cassures simples brins Détection d'oxydations de bases (10-50Gy) et cassures simples brins 90% Temoin 80% 10 Gy 70% 60% 20 Gy 50% 30 Gy 40% 40 Gy Détection d'oxydations de bases ( Gy) et cassures simples brins 90% Temoin 80% 70% 100 Gy 60% 200 Gy 50% 500 Gy 40% 30% 50 Gy 30% 1000 Gy 20% 20% 10% 10% Tendance à partir de 20 Gy : ADN contenant au moins une base oxydée détectable 14

15 Evolution dans un environnement très faiblement radioactif

16 Evolution dans un environnement à très faible niveau de radiation Laboratoire souterrain de Modane (6.5km dans le tunnel du Frejus) 5nSv/h 200 Générations d évolution E.coli (8000 ans échelle de l homme) et comparaison avec E.coli non évoluée (ancestrale) 10µm 16

17 Evolution dans un environnement à très faible niveau de radiation Souches évoluées et souches ancestrales ont la même vitesse de multiplication Souches évoluées et souches ancestrales ont la même résistance à une irradiation photon de 20Gy Souches évoluées et souches ancestrales ont la même résistance à un stress antibiotique 10µm 17

18 Irradiation ponctuelle : Plus la dose est élevé plus le taux de survie de la bactérie est faible Mortalité bactérienne due à des oxydations de protéines, très peu de cassures simples brins et doubles brins caractérisées entre 10Gy et 1000Gy Evolution : Conclusions - Perspectives Pas de modification du comportement des bactéries ayant évoluées Faire évoluer E. coli pendant plus longtemps (1000 générations) et refaire des tests Evolution dans des environnements plus fortement radioactifs 18

19 "Les espèces qui survivent ne sont pas les espèces les plus fortes, ni les plus intelligentes, mais celles qui s'adaptent le mieux aux changements" (Charles Darwin / ) 19