Le flagelle bactérien : une machine moléculaire
À l’intérieur des bactéries vit l’une des machines les plus extraordinaires jamais découvertes : un moteur rotatif entièrement constitué de protéines, tournant jusqu’à 100 000 tr/min, alimenté par un flux d’ions, et bâti à partir d’environ 40 pièces protéiques coordonnées. Il possède un rotor, un stator, un arbre de transmission, un joint universel, des coussinets et une hélice. Les ingénieurs n’ont pas inventé cette conception. Ils l’ont copiée.
Le moteur électrique de la nature : la structure protéique réelle du moteur flagellaire, posée sur son propre plan d’ingénierie. Image extraite de l’épisode de Smarter Every Day intégré ci-dessous.
Les pièces du moteur
Le flagelle bactérien est un filament en forme de tire-bouchon fixé à un moteur rotatif enchâssé dans la membrane cellulaire. Le biologiste structural David DeRosier a fait observer que « plus encore que d’autres moteurs, le flagelle ressemble à une machine conçue par un être humain ». La comparaison n’est pas seulement superficielle : les composants sont fonctionnellement équivalents.
- 1Le rotor (anneau C). La partie tournante du moteur. Constitué des protéines FliG, FliM et FliN, il convertit l’énergie des ions en couple de rotation, exactement comme le rotor d’un moteur électrique convertit l’énergie électrique en rotation.
- 2Le stator (complexes MotA/MotB). La partie fixe, ancrée à la paroi cellulaire. Plusieurs unités de stator entourent le rotor et jouent le rôle d’unités génératrices de couple, précisément celui du stator dans tous les moteurs électriques jamais construits. Chaque stator est formé d’un pentamère de protéines MotA entourant un dimère de protéines MotB.
- 3L’arbre de transmission (la tige). Une tige protéique rigide qui transmet la force de rotation du moteur au filament externe, en traversant la membrane cellulaire par des coussinets (anneaux L et P).
- 4Le joint universel (le crochet). Un accouplement souple qui relie l’arbre de transmission rigide au filament hélicoïdal et permet à celui-ci de s’orienter dans différentes directions pendant que le moteur tourne, fonctionnellement identique au joint universel d’une transmission automobile.
- 5L’hélice (le filament). Un long filament protéique hélicoïdal qui s’étend depuis la surface de la cellule et tourne pour propulser la bactérie dans le liquide, exactement comme une hélice de bateau.
- 6La source d’énergie (le gradient ionique). Le moteur est alimenté par le flux d’ions hydrogène (protons) ou d’ions sodium à travers la membrane cellulaire, c’est-à-dire par un gradient électrochimique. C’est l’équivalent biologique de l’électricité : des ions qui traversent un canal pour produire un travail mécanique.
Le moteur flagellaire peut tourner jusqu’à 100 000 tr/min (le rotor seul ; généralement de 200 à 1 000 tr/min une fois le filament attaché). Il peut inverser son sens de rotation en un quart de tour. Il est alimenté par un flux d’ions, l’équivalent biologique d’un courant électrique. Il s’auto-assemble à partir d’instructions génétiques. Et il peut ajuster dynamiquement le nombre d’unités de stator engagées pour régler le couple délivré. Aucun moteur conçu par l’homme n’égale cette combinaison de vitesse, d’efficacité, de miniaturisation et d’auto-assemblage.
L’image en tête de cette leçon est extraite de cette vidéo. L’ingénieur Destin Sandlin, de Smarter Every Day, se rend au laboratoire de l’université Vanderbilt, chez la professeure Tina Iverson et le chercheur Prashant Singh, qui étudient les structures protéiques réelles du moteur flagellaire. À l’aide d’animations 3D construites à partir de données structurales réelles, la vidéo parcourt les composants décrits ci-dessus, le rotor, les unités de stator, le crochet et le flux d’ions qui alimente le tout, et montre le moteur en train de tourner, de s’inverser et de s’auto-assembler.
Nature's Incredible ROTATING MOTOR (It's Electric!) · Smarter Every Day 300 · Regarder sur YouTube Cette vidéo est en anglais. YouTube propose des sous-titres français via le bouton de sous-titrage.
La complexité irréductible
Le biochimiste Michael Behe a introduit la notion de complexité irréductible dans son livre de 1996 Darwin's Black Box, en prenant le flagelle bactérien pour exemple principal. Un système irréductiblement complexe est un système dont le retrait de n’importe quel composant fait cesser tout fonctionnement.
L’argument de Behe : le moteur flagellaire exige environ 40 protéines différentes travaillant ensemble dans une coordination précise. Retirez le stator et le rotor tourne librement, sans couple. Retirez l’arbre de transmission et le moteur ne peut plus transmettre de force au filament. Retirez le joint universel et le filament ne peut plus s’orienter. Chaque composant est nécessaire ; aucun ne fonctionne à lui seul comme moteur flagellaire.
Cela pose un problème aux explications évolutionnistes graduelles : la sélection naturelle ne peut conserver une structure que si celle-ci confère un avantage de survie à chaque étape intermédiaire. Si le moteur ne fonctionne que lorsque toutes ses pièces sont présentes, il n’y a aucun avantage sélectif à posséder un demi-moteur, et donc aucune voie évolutive pour le construire par étapes.
Objections courantes
« Le système de sécrétion de type III montre que des composants du flagelle peuvent avoir d’autres fonctions : il n’est donc pas irréductiblement complexe. »
Le système de sécrétion de type III (T3SS), une structure en forme d’aiguille que certaines bactéries utilisent pour injecter des toxines, partage une dizaine de protéines avec le flagelle. Les critiques y voient la preuve que les pièces du flagelle avaient des fonctions antérieures, ce qui fournirait une voie évolutive. Le débat reste cependant vif sur la question de savoir si le T3SS a précédé le flagelle ou s’il en dérive. Plus important encore : même si certaines pièces ont eu des fonctions antérieures, cela n’explique pas comment une quarantaine de protéines en sont venues à être assemblées dans l’agencement précis qui constitue un moteur rotatif fonctionnel. Disposer de pièces capables de faire autre chose individuellement n’explique pas comment elles se sont réunies en une machine intégrée.
« L’évolution n’a pas besoin que chaque intermédiaire soit un moteur : les pièces ont pu avoir d’autres fonctions. »
C’est ce que l’on appelle la « cooptation » : l’idée que des pièces servant à d’autres usages ont été réaffectées au flagelle. C’est un mécanisme théoriquement possible, mais il se heurte à un problème combinatoire : assembler une quarantaine de protéines dans un agencement fonctionnel précis exige non seulement les bonnes pièces, mais aussi le bon ordre de montage, les bonnes relations spatiales et des instructions génétiques pour bâtir l’ensemble du système. La cooptation explique comment on pourrait se procurer des pièces ; elle n’explique pas comment on assemble une machine.
- Si vous trouviez un moteur rotatif doté d’un rotor, d’un stator, d’un arbre de transmission, d’un joint universel et d’une hélice dans un contexte non biologique, en infèreriez-vous un dessein ? Pourquoi la version biologique devrait-elle être traitée autrement ?
- Quelle différence y a-t-il entre disposer des bonnes pièces et les avoir assemblées en une machine fonctionnelle ? Pourquoi cette distinction compte-t-elle pour les explications évolutionnistes ?
- Le moteur flagellaire s’auto-assemble à partir d’instructions génétiques. Qu’est-ce que cela ajoute à la complexité qu’il faut expliquer ?
Qu’est-ce qui fait du flagelle bactérien un exemple de complexité irréductible ?
Le flagelle bactérien est un moteur rotatif à base de protéines qui possède les mêmes composants fonctionnels que les moteurs conçus par l’homme, rotor, stator, arbre de transmission, joint universel et hélice, alimenté par un flux d’ions. Sa complexité irréductible, son auto-assemblage à partir d’instructions génétiques et ses spécifications de performance dignes de l’ingénierie posent un défi profond aux explications évolutionnistes non dirigées et renvoient puissamment au dessein intelligent.