Traquer la biodiversité grâce à l’ADN
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Détecter des espèces discrètes, voire invisibles, c’est aujourd’hui possible, grâce à l’ADN présent dans l’environnement. Une technique qui révolutionne les études naturalistes et les comptages écologiques, dans tous les milieux où la vie se cache.
Le protocole est souple comme une porte de prison. Onze points, de quoi couvrir le corps d’un scientifique de la pointe des surchaussures au sommet de la charlotte, avec combinaison stérile, masque et double paire de gants, le tout à usage unique. L’entrée dans le laboratoire s’effectue par un sas, maintenu en surpression pour repousser les impuretés. Tout objet extérieur doit rester dehors. « Même le calepin », a précisé Tony Dejean. Le maître des lieux explique : « Chaque détail compte, la moindre contamination fausserait tous les résultats. Ici, c’est un peu Les Experts Miami, sauf qu’on ne s’intéresse pas aux hommes. Nous sommes la police scientifique de l’environnement. »
Spygen, la start-up qu’il a créée en 2011 au Bourget-du-Lac (Savoie), s’est en effet fixé pour mission d’« améliorer le suivi et la conservation de la biodiversité à l’échelle mondiale ». Pas en envoyant des enquêteurs aux quatre coins du monde observer les espèces en voie d’extinction, mais en traquant leur présence dans les sols, sédiments, matières fécales ou simplement dans l’eau recueillie sur place.
Ce champ de la recherche, qui s’apprête à bouleverser notre mode d’observation de la nature, et par là sa connaissance, a un nom : ADN environnemental. Balbutiant il y a encore cinq ans, il connaît une véritable explosion avec quelque 170 articles publiés au cours des cinq premiers mois de 2018 contre 20 pour toute l’année 2013.
Le 2 mai, par exemple, des scientifiques français décrivaient dans la revue Science Advances la mise en évidence du « code-barres » de requins supposés disparus dans l’eau de mer au large de la Nouvelle-Calédonie. Quelques mois plus tôt, des Américains établissaient la présence d’une faune inconnue autour d’Anvers Island, dans l’Antarctique. Dans tous les milieux, mammifères, amphibiens, poissons, oiseaux, plantes ou champignons livrent leurs secrets. « C’est assez vertigineux, commente, admiratif, Claude Miaud, écologue à l’Ecole pratique des hautes études, à Montpellier. On peine à voir les limites de cette méthode. »
La découverte d’ADN ancien dans le permafrost, comme ici dans le nord du Canada, a ouvert la voie à la recherche de traces génétiques d’espèces dans tous les milieux.
Petits bouts de génome
Comme dans les enquêtes criminelles, le défi consiste à relever des traces génétiques là où personne n’imaginerait les dénicher. Sauf qu’en l’espèce, ce ne sont pas les cellules vivantes d’une plante ou d’un animal, susceptible d’apporter son code génétique complet, que l’on cherche. « Ce serait trop facile », ironise le chercheur Danois Eske Willerslev.
Ou trop difficile : comment, en effet, retrouver une cellule vivante hors la présence de son hôte ? Non, en réalité, c’est l’ADN lui-même, ou plutôt des portions d’ADN, que les chasseurs d’informations vont débusquer. De petits fragments issus des mitochondries ou du chloroplaste (pour les plantes) qui, après la mort d’une cellule et sa désintégration, viennent se lier à de la matière organique ou minérale trouvée dans son environnement. Ainsi protégés, les petits bouts de génome gardent leur secret à peu près intact pendant plusieurs jours (dans l’eau) ou plusieurs… millénaires.
C’est, du reste, la quête d’ADN ancien qui a conduit celui qui n’était encore qu’un étudiant en paléontologie de l’université de Copenhague à ouvrir cette nouvelle fenêtre sur le vivant au début des années 2000. Pour sa maîtrise, le jeune homme avait étudié l’ADN de cellules de champignons et d’algues conservées dans des carottes glaciaires. Il raconte :
« Je devais trouver un sujet de thèse. Je voulais travailler sur l’ADN ancien mais les squelettes n’étaient pas accessibles. C’était l’automne. Je me souviens avoir regardé par la fenêtre les feuilles tomber et en même temps avoir vu un chien faire ses besoins. Tout ça allait disparaître, emporté par l’eau et le vent, mais est-ce que l’ADN pouvait rester dans le sol ? Quand j’en ai parlé à mon superviseur, toute la cafétéria a rigolé et lui m’a dit qu’il n’avait jamais rien entendu d’aussi stupide. Mais avec mon collègue Anders Hansen, on a voulu essayer. On s’est dit que si un milieu pouvait conserver des biomolécules, ce devait être le permafrost, ce sol gelé en profondeur depuis des milliers d’années. J’ai contacté un scientifique russe qui faisait des forages en Sibérie. Il a donné son accord.
Ça n’a pas tout de suite marché. On faisait des choses trop compliquées. Finalement, on a pris 2 grammes de permafrost, on a extrait ce que nous trouvions comme matériel génétique, avons amplifié les séquences susceptibles de provenir de mammifères ou de plantes et les avons clonées dans une bactérie. C’était la méthode disponible à l’époque. Ensuite, nous avons séquencé ces portions insérées. Les premières séquences sont sorties le jour de Noël. J’étais seul au labo. J’ai comparé ça aux séquences disponibles dans les banques de gènes. Il y avait un mammouth laineux, un renne, un bison, un lemming et diverses plantes. C’était incroyable ! Avec 2 grammes de sol, on pouvait retrouver toute la communauté biologique même en l’absence de fossiles. Je savais qu’on avait trouvé un truc important. »
L’article paraît en mai 2003 dans la revue Science. Eske Willerslev a assis sa découverte avec l’analyse d’échantillons de sols tempérés, dans des grottes en Nouvelle-Zélande. Il y a retrouvé de l’ADN de moas, ces oiseaux géants disparus depuis plusieurs siècles de l’île du Pacifique sud. Enfin, il a ajouté l’analyse de terres « contemporaines » et a mis en évidence l’ADN de plusieurs végétaux actuels. Pour le scientifique danois, c’est le début d’une carrière fulgurante, qui en fera l’une des stars mondiales de la paléogénétique, professeur à Copenhague et à Cambridge. Pour l’ADN environnemental, un véritable acte de naissance.
Une échelle macroscopique
L’expression traînait dans les articles scientifiques depuis la fin des années 1980. Elle désignait alors une façon de détecter la présence de bactéries et d’autres micro-organismes dans des milieux naturels. Désormais, c’est d’une tout autre échelle qu’il s’agit, macroscopique. Willerslev court les colloques présenter sa découverte. De nombreux scientifiques doutent. Tant d’informations tirées de fragments si petits et si vieux, est-ce bien possible ? Quelques-uns veulent y croire. Lors d’une session à Bordeaux, un biologiste français le prend à partie. « Il a été assez critique, raconte Willerslev. Il m’a dit que le sujet avait un grand potentiel pour l’étude de la biodiversité mais que ma méthode était approximative, qu’on pouvait faire beaucoup mieux… »
Echantillon prélevé dans une rivière en Ardèche, dont on extrait ensuite l’ADN environnemental en laboratoire.
La grande gueule s’appelle Pierre Taberlet. Professeur de sciences naturelles au lycée pendant dix ans, il est entré au CNRS en 2004 pour travailler sur les méthodes non invasives de détection de la faune sauvage. Il a ainsi commencé par mettre en évidence l’ADN mitochondrial de l’ours des Pyrénées dans des poils et des fèces retrouvés sur place. Et a poursuivi avec quelques autres bêtes, plus ou moins rares.
Au laboratoire d’écologie alpine (LECA) de Grenoble, qu’il a fondé, trouver les bons marqueurs pour caractériser une espèce est devenu une spécialité locale. « Nous avons commencé une collaboration, poursuit Willerslev. Effectivement, Pierre pouvait faire mieux. Il a développé les méthodes, les a appliquées aux milieux d’eau douce, leur a donné des noms. Environmental DNA pour caractériser tout ce champ, c’est lui. Metabarcoding pour la recherche de plusieurs espèces simultanément, lui aussi. Bon sur le terrain, excellent biologiste moléculaire, très fort en bio-informatique, imaginatif, capable de diriger une collaboration internationale… Je ne sais pas si vous mesurez la chance que vous avez, en France, d’avoir une pépite pareille. »
Agé de 64 ans, ladite pépite s’apprête à prendre sa retraite. En dix ans, il a largement contribué à faire de cette technique marginale un outil essentiel de la biodiversité, créant les équipes, formant les jeunes chercheurs, décrochant les subventions européennes. « C’est sûr qu’au départ, on ne nous prenait pas tellement au sérieux. On a un peu changé d’image », avance-t-il. Il a ainsi fait du LECA la première plate-forme spécialisée en ADN environnemental au monde. Surtout, il a multiplié preuves de concept et applications. Avec l’apparition en 2005 des premiers séquenceurs dits de « nouvelle génération », il saute la phase de clonage et décrypte directement l’ADN. « Ça a fait gagner beaucoup de temps et de fiabilité et permis de multiplier les applications », explique-t-il.
« Ce qui paraissait hors de portée devient possible »
En 2008, il commence par l’eau douce. Avec son collègue écologue Claude Miaud, alors au LECA, il retrouve l’ADN de la grenouille taureau dans plusieurs mares où l’amphibien invasif a déjà été repéré. « Le résultat m’a stupéfait… A l’inverse, il n’y avait rien là où la grenouille n’avait jamais été vue, se souvient Claude Miaud, aujourd’hui directeur d’études à l’Ecole pratique des hautes études, à Montpellier. On n’avait pas de faux positifs. » Quatre ans plus tard, un nouvel article mettra en évidence la supériorité de l’ADN environnemental sur le suivi classique. Là où une première observation avait repéré l’envahisseur dans sept mares du Périgord Limousin, l’analyse génétique retrouve sa trace dans 37 points d’eau. Une vérification attentive donnera raison à l’ADN.
Echantillon prélevé dans une mare, dont on extrait ensuite l’ADN environnemental en laboratoire.
En 2009, Taberlet et son équipe passent aux régimes alimentaires. Il analyse ainsi les excréments de marmottes, d’ours bruns, de grands tétras, d’escargots et de sauterelles recueillis au Pakistan et en France. Ce n’est plus une espèce qu’il traque mais tous les végétaux. A cette échelle, il parvient à détailler l’ensemble des familles concernées. « C’était tellement surprenant que la première revue à qui nous l’avons proposé a refusé l’article, et la seconde l’a gardé des mois avant de répondre », sourit Pierre Taberlet. Aujourd’hui, la publication fait référence et, des léopards des neiges aux tortues marines, la méthode offre un point de vue unique sur la chaîne alimentaire.
Des herbivores aux carnivores, de l’eau à la terre, des forêts aux montagnes, l’équipe grenobloise, souvent en collaboration avec d’autres scientifiques, écume les terrains. Avec toujours ce même résultat : « La méthode est efficace, presque toujours supérieure aux observations directes. Surtout quand le terrain est difficile d’accès », résume Tony Dejean, le patron de Spygen, comme beaucoup formé au LECA.
Les travaux conduits en Guyane par Sébastien Brosse, de l’université de Toulouse, en offrent un exemple parfait. « Ici, la diversité est immense, explique-t-il : 400 espèces de poissons d’eau douce contre 80 pour toute la métropole. L’eau est souvent trouble, donc on les voit mal. Elle est très peu minéralisée, donc peu conductrice, ce qui rend impossible l’usage de la pêche électrique. Longtemps, on a utilisé un pesticide, la Roténone, mais ça n’étourdissait pas les poissons, ça les tuait et on polluait les rivières, c’est aujourd’hui interdit. L’arrivée de l’ADN environnemental a changé notre perspective. Ce qui paraissait hors de portée, à savoir réaliser un inventaire complet, devient désormais possible. »
Accélération des inventaires
A une tout autre échelle, Claude Miaud a lui aussi fait ses comptes : « On considère que 86 % des espèces existantes sur la Terre et 91 % des espèces dans l’océan attendent toujours leur description. Au rythme actuel de découverte, cela nécessiterait quatre cent quatre-vingts années pour finir le travail. »
Avec l’ADN environnemental, tout s’accélère. En quelques mois de prélèvements, des scientifiques ont ainsi retrouvé dans le bassin du Rhône l’équivalent de dix années de pêches scientifiques. Dans l’Arctique, une équipe franco-norvégienne a relevé du matériel génétique d’ours polaire dans de simples traces laissées dans la neige. A l’autre bout du monde, d’autres chercheurs ont confirmé la présence du poisson-chat géant dans le Mekong, au Laos, ou encore du muntjak de Truong Son dans les forêts vietnamiennes. De ce petit cervidé, on ne connaissait jusqu’ici que quelques squelettes, découverts en 1997, et de furtives images captées par des caméras infrarouges. Pour pister l’animal, les collaborateurs d’Eske Willerslev ont ramassé de grandes quantités de sangsues, les ont broyées et ont analysé la pâte. Et l’ADN a parlé : au milieu des lapins, blaireaux et saros de Chine est apparu le code-barres du rarissime mammifère.
Les services de gestion de l’environnement ont compris tout le parti qu’ils pouvaient tirer de cette révolution. En octobre 2017, l’Agence française pour la biodiversité a ainsi organisé la première journée d’études sur l’ADN environnemental. « On doit se préparer à un déploiement à large échelle, souligne Nicolas Poulet, chargé de mission à l’agence. En termes de rapport coût/bénéfice, c’est un candidat sérieux. Une pêche électrique ou une campagne de surveillance, c’est très lourd. Là, avec deux personnes sur le terrain, vous abattez un travail considérable et obtenez des résultats très rapides. Pour les invasions biologiques, où il faut réagir vite, c’est essentiel. »
Des start-up se lancent. Sur la base Technolac, au Bourget-du-Lac, deux anciennes de Spygen on ainsi créé leur propre entreprise, Argaly. Suivi de la faune autour de Tchernobyl, analyse du régime alimentaire d’oiseaux suisses ou de sols agricoles dans le cadre de la lutte contre les ravageurs mais aussi programme de formation de chercheurs : « En six mois, nous avons déjà obtenu plusieurs contrats, souligne Eva Bellemain. La demande est très importante. »
Extraction d’ADN environnemental au sein du laboratoire de Spygen, au Bourget-du-Lac (Savoie).
La panacée ?
Inventorier la biodiversité, prévenir les invasions biologiques, suivre les comportements alimentaires, détecter des espèces rares – voire inconnues, comme s’apprête à le faire une poignée de chercheurs dans le Loch Ness – le tout par des méthodes non invasives… L’extension du domaine de l’ADN environnemental semble sans limite.
Philip Thomsen, un ancien étudiant d’Eske Willerslev, aujourd’hui professeur associé à l’université d’Aarus, est même parvenu à tirer de traces d’ADN de requin-baleine des informations quantitatives sur l’abondance de population du géant des mers. Dans la même étude, publiée en 2016 dans Plos One, le chercheur danois a également mis en évidence, grâce à de grands fragments d’ADN, ce que les généticiens nomment des haplotypes, des ensembles de gènes permettant d’identifier des sous-groupes à l’intérieur d’une espèce. « Bientôt, nous pourrons faire de la génétique des populations sans prélever le moindre animal », s’enthousiasme Claude Miaud.
La panacée, donc ? Tony Dejean met en garde. Lui qui, pour sa start-up, brevète dispositifs de prélèvements et d’analyse (filtres, drones aquatiques), et rêve d’une « industrialisation » de la méthode, en connaît les limites : « A tous les niveaux, il y a des risques car on manie de l’ADN rare. Contamination lors des prélèvements, erreurs dans l’amplification des fragments ou lors de l’analyse bio-informatique. Sans compter que les bases de référence de l’ADN restent incomplètes. Or, comme pour une empreinte génétique en police scientifique, pour identifier une trace, il faut qu’elle soit répertoriée quelque part. »
Pierre Taberlet va plus loin. « Le marché qui se développe et l’emballement actuel qui en découle conduisent beaucoup de gens à faire n’importe quoi », souligne le pionnier. Dans ses conférences, le biologiste aime évoquer une étude publiée dans la prestigieuse revue Nature Communications. « Un modèle de ce qu’il ne faut pas faire… Dans un litre d’eau d’un torrent suisse, les auteurs retrouvaient toute la biodiversité du bassin versant. Ils avaient aussi détecté du crabe, de la méduse, des poissons marins mais ils ont simplement écarté ces données sans remettre en cause leur protocole. »
D’autres redoutent la mainmise de la biologie moléculaire sur l’étude de la nature. Pourquoi, en effet, lancer des spécialistes pendant des mois sur le terrain si l’ADN environnemental peut déterminer la répartition d’une espèce, ses zones de reproduction, son régime alimentaire, bientôt sa filiation ? « C’est absurde, rassure l’écologue Claude Miaud. Les enregistreurs d’ultrasons n’ont pas tué les spécialistes des chauves-souris, ils les ont aidés. Ça sera pareil pour nous : nous aurons plus de données et plus de temps pour répondre à des questions encore plus intéressantes. » Après Les Experts, le retour de Sherlock Holmes.
