Notre tâche maintenant est de resynthétiser la biologie ; remettre l'organisme dans son environnement ; le reconnecter à son passé évolutif ; et laisser-nous sentir ce flux complexe que sont l'organisme, l'évolution et l'environnement unis. Le moment est venu pour la biologie d'entrer dans le monde non linéaire.
Carl Richard Woese était un microbiologiste et biophysicien américain. Woese est célèbre pour avoir défini les Archaea, un nouveau domaine de la vie en 1977 par la taxonomie phylogénétique de l'ARN ribosomal 16S, une technique qu'il a pionnière et qui a révolutionné la microbiologie. Il a également émis l'hypothèse du monde ARN en 1967, bien que pas sous ce nom. Woese a occupé la chaire Stanley O. Ikenberry et était professeur de microbiologie à l'Université de l'Illinois à Urbana–Champaign.
Vie et éducation
Carl Woese est né à Syracuse, New York le 15 juillet 1928. Woese a fréquenté la Deerfield Academy dans le Massachusetts. Il a obtenu un diplôme de premier cycle en mathématiques et physique du Amherst College en 1950. Pendant son séjour à Amherst, Woese n'a suivi qu'un seul cours de biologie - Biochimie, en sa dernière année et n'avait « aucun intérêt scientifique pour les plantes et les animaux » jusqu'à ce qu'il soit conseillé par William M. Fairbank, alors professeur assistant de physique à Amherst, de poursuivre la biophysique à Yale.
En 1953, il a complété un doctorat en biophysique à l'Université Yale, où ses recherches doctorales se sont concentrées sur l'inactivation des virus par la chaleur et les rayonnements ionisants. Il a étudié la médecine à l'Université de Rochester pendant deux ans, abandonnant deux jours dans une rotation de pédiatrie. Ensuite, il est devenu chercheur postdoctoral en biophysique à l'Université Yale enquêtant sur les spores bactériennes. De 1960 à 1963, il a travaillé comme biophysicien au Laboratoire de recherche General Electric à Schenectady, New York. En 1964, Woese a rejoint la faculté de microbiologie de l'Université de l'Illinois à Urbana–Champaign, où il s'est concentré sur les Archaea, la génomique et l'évolution moléculaire comme domaines d'expertise. Il est devenu professeur au Carl R. Woese Institute for Genomic Biology de l'Université de l'Illinois à Urbana–Champaign, qui a été renommé en son honneur en 2015, après sa mort.
Woese est décédé le 30 décembre 2012, suite à des complications du cancer du pancréas.
Travaux et découvertes
Premiers travaux sur le code génétique
Woese a tourné son attention vers le code génétique en installant son laboratoire au Knolls Laboratory de General Electric à l'automne 1960. L'intérêt parmi les physiciens et les biologistes moléculaires avait commencé à se cristalliser autour du déchiffrement de la correspondance entre les vingt acides aminés et l'alphabet de quatre lettres des bases d'acides nucléiques dans la décennie suivant la découverte de la structure de l'ADN par James D. Watson, Francis Crick et Rosalind Franklin en 1953. Woese a publié une série d'articles sur le sujet. Dans l'un d'eux, il a déduit une table de correspondance entre ce qui était alors connu sous le nom d'« ARN soluble » et l'ADN en fonction de leurs rapports de paires de bases respectifs. Il a ensuite réévalué les données expérimentales associées à l'hypothèse que les virus utilisaient une base, plutôt qu'un triplet, pour coder chaque acide aminé, et a suggéré 18 codons, prédisant correctement un pour la proline. D'autres travaux ont établi la base mécaniste de la traduction des protéines, mais du point de vue de Woese, ils ont largement négligé les origines évolutives du code génétique comme réflexion secondaire.
En 1962, Woese a passé plusieurs mois comme chercheur visiteur à l'Institut Pasteur à Paris, un foyer d'intense activité sur la biologie moléculaire de l'expression génique et de la régulation génique. Pendant son séjour à Paris, il a rencontré Sol Spiegelman, qui a invité Woese à visiter l'Université de l'Illinois après avoir entendu ses objectifs de recherche ; lors de cette visite, Spiegelman a offert à Woese un poste avec une permanence immédiate commençant à l'automne 1964. Avec la liberté de poursuivre patiemment des fils de recherche plus spéculatifs en dehors du courant dominant de la recherche biologique, Woese a commencé à envisager le code génétique en termes évolutifs, en se demandant comment les assignations de codons et leur traduction en une séquence d'acides aminés auraient pu évoluer.
Découverte du troisième domaine
Pendant une grande partie du 20e siècle, les procaryotes ont été considérés comme un groupe unique d'organismes et classés en fonction de leur biochimie, leur morphologie et leur métabolisme. Dans un article très influent de 1962, Roger Stanier et C. B. van Niel ont d'abord établi la division de l'organisation cellulaire en procaryotes et eucaryotes, définissant les procaryotes comme les organismes dépourvus de noyau cellulaire. Adapté de la généralisation d'Édouard Chatton, le concept de Stanier et Van Niel a été rapidement accepté comme la distinction la plus importante parmi les organismes ; pourtant, ils étaient néanmoins sceptiques quant aux tentatives des microbiologistes de construire une classification phylogénétique naturelle des bactéries. Cependant, on a supposé généralement que toute vie partageait un ancêtre procaryote commun impliqué par la racine grecque πρό pro-, avant, devant.
En 1977, Carl Woese et George E. Fox ont expérimentalement réfuté cette hypothèse universellement admise sur la structure fondamentale de l'arbre de la vie. Woese et Fox ont découvert une sorte de vie microbienne qu'ils ont appelée les « archébactéries » Archaea. Ils ont rapporté que les archébactéries comprenaient « un troisième royaume » de la vie aussi distinct des bactéries que les plantes et les animaux. Après avoir défini Archaea comme un nouveau « urroyaume » plus tard domaine qui n'étaient ni des bactéries ni des eucaryotes, Woese a redessiné l'arbre taxonomique. Son système à trois domaines, basé sur les relations phylogénétiques plutôt que sur les similitudes morphologiques évidentes, a divisé la vie en 23 divisions principales, incorporées dans trois domaines : Bacteria, Archaea et Eucarya.
L'acceptation de la validité de la classification phylogénétiquement valide de Woese a été un processus lent. Des biologistes éminents, dont Salvador Luria et Ernst Mayr, se sont opposés à sa division des procaryotes. Pas toute critique à son égard n'était restreinte au niveau scientifique. Une décennie de catalogage oligonucléotidique laborieux l'a laissé avec une réputation de « cinglé », et Woese allait être surnommé « Microbiology's Scarred Revolutionary » par un article d'actualités publié dans la revue Science. L'accumulation de données de soutien a conduit la communauté scientifique à accepter les Archaea au milieu des années 1980. Aujourd'hui, peu de scientifiques s'accrochent à l'idée d'une Prokarya unifiée.
Le travail de Woese sur Archaea est également significatif pour ses implications dans la recherche de la vie sur d'autres planètes. Avant la découverte de Woese et Fox, les scientifiques pensaient que Archaea étaient des organismes extrêmes qui ont évolué à partir des microorganismes qui nous sont plus familiers. Maintenant, la plupart croient qu'ils sont anciens et peuvent avoir des liens évolutifs robustes avec les premiers organismes sur Terre. Les organismes similaires à ceux des archées qui existent dans des environnements extrêmes auraient pu se développer sur d'autres planètes, dont certaines abritent des conditions propices à la vie des extrêmophiles.
Notamment, l'élucidation par Woese de l'arbre de la vie montre la diversité écrasante des lignées microbiennes : les organismes unicellulaires représentent la grande majorité de la diversité génétique, métabolique et écologique de la biosphère. Comme les microbes sont cruciaux pour de nombreux cycles biogéochimiques et pour le fonctionnement continu de la biosphère, les efforts de Woese pour clarifier l'évolution et la diversité des microbes ont fourni un service inestimable aux écologistes et aux conservationnistes. C'était une contribution majeure à la théorie de l'évolution et à nos connaissances de l'histoire de la vie.
Évolution des types de cellules primaires
Woese a également émis des hypothèses sur une ère d'évolution rapide au cours de laquelle un transfert horizontal de gènes considérable s'est produit entre les organismes. D'abord décrits par Woese et Fox dans un article de 1977, ces organismes, ou progénotes, ont été imaginés comme des protocellules d'une très faible complexité en raison de leur appareil de traduction sujet aux erreurs « canal de transmission génétique bruyant », qui produisait des taux de mutation élevés qui limitaient la spécificité de l'interaction cellulaire et la taille du génome. Cet appareil de traduction précoce aurait produit un groupe de protéines structurellement similaires et fonctionnellement équivalentes, plutôt qu'une seule protéine. De plus, à cause de cette spécificité réduite, tous les composants cellulaires étaient susceptibles au transfert horizontal de gènes, et une évolution rapide s'est produite au niveau de l'écosystème.
La transition vers les cellules modernes le « Seuil darwinien » s'est produite quand les organismes ont évolué des mécanismes de traduction avec des niveaux modernes de fidélité : les performances améliorées ont permis à l'organisation cellulaire d'atteindre un niveau de complexité et d'interconnexion qui rendait les gènes d'autres organismes beaucoup moins capables de déplacer les propres gènes d'un individu.
Au cours des années suivantes, le travail de Woese s'est concentré sur l'analyse génomique pour élucider l'importance du transfert horizontal de gènes HGT pour l'évolution. Il a travaillé sur des analyses détaillées des phylogénies des aminoacyl-ARNt synthétases et sur l'effet du transfert horizontal de gènes sur la distribution de ces enzymes clés parmi les organismes. L'objectif de la recherche était d'expliquer comment les types de cellules primaires - les archées, les eubactéries et les eucaryotes - ont évolué à partir d'un état ancestral dans le monde ARN.
Perspectives sur la biologie
Woese a partagé ses réflexions sur le passé, le présent et l'avenir de la biologie dans Current Biology :
Les « questions importantes » auxquelles la biologie du 21e siècle fait face découlent toutes d'une seule question, la nature et la génération de l'organisation biologique. . . . Oui, Darwin est de retour, mais en compagnie de . . . scientifiques qui peuvent voir beaucoup plus profondément dans les profondeurs de la biologie qu'il n'était auparavant possible. Ce n'est plus une vision « 10 000 espèces d'oiseaux » de l'évolution - l'évolution vue comme une procession de formes. Le souci porte maintenant sur le processus de l'évolution lui-même.
Je vois la question de l'organisation biologique prenant deux directions éminentes aujourd'hui. La première est l'évolution de l'organisation cellulaire (protéique), qui comprend des sous-questions telles que l'évolution de l'appareil de traduction et du code génétique, et l'origine et la nature des hiérarchies de contrôle qui affinent et relient précisément la pléthore de processus cellulaires qui constituent les cellules. Cela inclut également la question du nombre de différents types de cellules fondamentales qui existent sur terre aujourd'hui : toutes les cellules modernes proviennent-elles d'une seule organisation cellulaire ancestrale ?
La deuxième direction majeure implique la nature de l'écosystème mondial. . . . Les bactéries sont les organismes majeurs de cette planète - en nombre, en masse totale, en importance pour les équilibres mondiaux. Ainsi, c'est l'écologie microbienne qui . . . a le plus besoin de développement, à la fois en termes de faits nécessaires pour la comprendre, et en termes de cadre dans lequel les interpréter.
Woese considérait que la biologie avait un rôle « primordial » dans la société. À son avis, la biologie devrait servir un objectif plus large que la poursuite d'« un environnement d'ingénierie » :
Ce qui a été formellement reconnu en physique doit maintenant être reconnu en biologie : la science remplit une double fonction. D'une part, elle est la servante de la société, s'attaquant aux problèmes appliqués posés par la société. D'autre part, elle fonctionne comme l'enseignante de la société, l'aidant à comprendre son monde et elle-même. C'est cette dernière fonction qui fait actuellement défaut.
Honneurs et héritage scientifique
Woese était boursier MacArthur en 1984, a été nommé membre de la National Academy of Sciences en 1988, a reçu la Médaille Leeuwenhoek, le plus grand honneur de la microbiologie en 1992, le Selman A. Waksman Award in Microbiology en 1995 de la National Academy of Sciences, et était un récipiendaire de la National Medal of Science en 2000. En 2003, il a reçu le Crafoord Prize de la Royal Swedish Academy of Sciences « pour sa découverte d'un troisième domaine de la vie ». En 2006, il a été nommé membre étranger de la Royal Society.
De nombreuses espèces microbiennes, telles que Pyrococcus woesei, Methanobrevibacter woesei et Conexibacter woesei, sont nommées en son honneur.
Le microbiologiste Justin Sonnenburg de l'Université Stanford a déclaré « L'article de 1977 est l'un des plus influents en microbiologie et sans doute, toute la biologie. Il se classe avec les travaux de Watson et Crick et Darwin, fournissant un cadre évolutif pour l'incroyable diversité du monde microbien ».
En ce qui concerne le travail de Woese sur le transfert horizontal de gènes comme processus évolutif primaire, le professeur Norman R. Pace de l'Université du Colorado à Boulder a déclaré : « Je pense que Woese a fait plus pour la biologie au sens large que tout biologiste de l'histoire, y compris Darwin. . . . Il y a beaucoup plus à apprendre, et il a magnifiquement interprété l'histoire émergente ».
Publications choisies
Livres
- Woese, Carl 1967. The Genetic Code: the Molecular Basis for Genetic Expression. New York: Harper & Row. OCLC 293697.
Articles choisis
- Woese, Carl R.; George E. Fox 1977. "Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 74 11: 5088–5090. Bibcode:1977PNAS...74.5088W. doi:10.1073/pnas.74.11.5088. ISSN 0027-8424. PMC 432104. PMID 270744.
- Woese, Carl R. June 1, 1987. "Bacterial evolution". Microbiological Reviews. 51 2: 221–271. doi:10.1128/MMBR.51.2.221-271.1987. PMC 373105. PMID 2439888.
- Woese, Carl R.; O Kandler; M L Wheelis 1990. "Towards a natural system of organisms: proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 87 12: 4576–4579. Bibcode:1990PNAS...87.4576W. doi:10.1073/pnas.87.12.4576. ISSN 0027-8424. PMC 54159. PMID 2112744.
- Woese,
