En 1943, un physicien et un biologiste publièrent un article confirmant l’un des piliers centraux de la théorie de l’évolution de Darwin.
L’article, rédigé par Max Delbrück de l’Université Vanderbilt et Salvador Luria de l’Université d’Indiana, décrit une expérience simple, appelée « test de fluctuation », qui a montré que les mutations apparaissaient spontanément dans les bactéries, plutôt que d’apparaître en réponse à des « pressions de sélection ».
La question était débattue depuis que Darwin avait publié son classique « Sur l’origine des espèces » en 1859. Darwin a proposé que les variations naturelles se produisent de manière aléatoire chez toutes les créatures et que les pressions environnementales rendent certaines de ces variations meilleures ou pires pour certains organismes dans leur « lutte pour l’existence ». Au fil du temps, ces caractéristiques deviennent plus courantes à mesure que les organismes les plus aptes survivent et se multiplient. En revanche, le naturaliste français Jean-Baptiste Lamarck a proposé dans le début des années 1800 cette variation pourrait être induite par des pressions environnementales.
Lorsque Delbrück et Luria ont réalisé leurs expériences, la théorie de Darwin était considérée comme correcte pour les plantes et les animaux, mais certains scientifiques pensaient que les interactions entre les bactériophages (des virus qui attaquent les bactéries) et leurs hôtes bactériens pourraient d’une manière ou d’une autre induire une résistance bactérienne aux phages.
Delbrück est arrivé sur le terrain par hasard. Le physicien mécontent avait émigré d’Allemagne aux États-Unis en raison de l’hostilité du régime nazi et s’est intéressé à l’idée de modéliser la génétique en utilisant des idées dérivées de mécanique quantique et la théorie atomique.
Lors de ses recherches en Californie, il a rencontré un chercheur qui étudiait une bactérie nouvellement caractérisée appelée Escherichia coli, qui avait été cultivé à partir des eaux usées de Los Angeles. Le chercheur avait identifié un phage qui s’attaquait au E. coli. Delbrück a été époustouflé par la facilité avec laquelle il était possible d’identifier et de compter les particules individuelles de phage au microscope.
« Vous pourriez les mettre sur une assiette avec une pelouse de bactéries, et le lendemain matin, chaque particule virale aurait mangé un trou macroscopique de 1 mm (0,04 pouce) dans la pelouse », a raconté Delbrück. dans une histoire orale prise dans les années 1970. « Cela m’a semblé juste au-delà de mes rêves les plus fous de faire de simples expériences sur quelque chose comme les atomes en biologie. »
En décembre 1940, au Cold Spring Harbor Laboratory de New York, Delbrück rencontra Luria, un médecin juif italien. Comme Delbrück, Luria avait fui les nazis et, comme Delbrück, il s’ennuyait de sa spécialité.
Luria avait vu quelques premiers travaux sur les phages et était également tombée amoureuse de l’idée d’utiliser les phages pour enquêter. les gènes comme s’ils étaient une collection d’atomes. À l’époque, les gens comprenaient le concept des gènes, mais ne comprenaient pas vraiment de quoi ils étaient constitués.
Environ neuf mois après leur rencontre, le duo a décidé de tester si les phages pouvaient induire une résistance chez E. coli. Ils ne savaient pas comment procéder, jusqu’à ce que Luria discute avec un collègue qui je jouais aux machines à sous. Il s’est rendu compte que les statistiques pouvaient être utilisées pour distinguer les mutations aléatoires de celles induites par les phages – en d’autres termes, pour déterminer la direction de la cause et de l’effet.
Ils ont rempli un tas de tubes avec E. coli puis exposé les bactéries à des phages et les a cultivées en série sur des plaques. Si des mutations étaient acquises, pensaient-ils, toutes les plaques se développeraient E. coli avec des mutations de résistance à peu près au mêmes proportions, et seulement après le phage a été introduit aux assiettes. En revanche, si les mutations apparaissaient de manière aléatoire, il y aurait davantage de variations dans le nombre de bactéries résistantes entre les cultures ; certaines seraient des « plaques jackpot » avec beaucoup plus résistantes E. coli parce qu’ils ont développé des gènes de résistance au début de la croissance de la culture, et non plus tard.
Ceci est devenu connu sous le nom de « test de fluctuation » et le duo a publié ses conclusions confirmant que les mutations surviennent de manière aléatoire chez les bactéries en 1943.
La même année, ils commencent à collaborer avec Alfred Hershey, chimiste microbien alors à l’Université Washington de Saint-Louis. Le trio allait ensuite montrer que les phages contenaient plus d’un gène et que les virus pouvaient échanger des informations génétiques entre eux au sein d’une même bactérie, ce que l’on appelle la recombinaison génétique. Plus tard, Hershey et sa collaboratrice Martha Chase ont montré que l’ADN était le porteur de cette information génétique. Hershey, Luria et Delbrück gagneraient le Prix Nobel de physiologie ou médecine 1969 pour leurs contributions à la génétique.
Il est intéressant de noter que, même si leurs travaux ont cimenté l’hypothèse darwinienne selon laquelle la sélection naturelle agit sur des variations aléatoires, certaines recherches plus récentes suggèrent que toutes les mutations ne sont pas complètement aléatoires. Les taux de mutation dans les « gènes essentiels » se produisent à des taux plus faibles que dans les gènes plus accidentels, du moins dans certaines plantes. Et des recherches récentes suggèrent que si l’équipe avait choisi un système de bactérie et de phage différent à étudier, comme celui qui utilisé le système immunitaire bactérien CRISPR pour combattre les phages — les résultats statistiques n’auraient pas été aussi clairs.
