Avec la résistance croissante aux antibiotiques et la propagation de variants du SARS-CoV-2, il devient de plus en plus évident que les micro-organismes évoluent constamment pour s'adapter à leur environnement. Ce processus, qui repose sur des mutations génétiques, offre un aperçu passionnant mais préoccupant de la façon dont ces organismes peuvent changer au fil du temps. Comprendre les mécanismes de ces adaptations représente un enjeu majeur pour la recherche médicale.

Ce phénomène est intimement lié à l’apparition de mutations et à l’impact qu’elles ont sur l’organisme. Quand ces mutations affaiblissent l'organisme qui les héberge, elles nous renseignent sur les fonctions cruciales ou essentielles à la survie du microorganisme dans son environnement. À l'inverse, lorsque les mutations confèrent un avantage au porteur par rapport à ses congénères, elles nous fournissent des informations sur les adaptations permettant de s'ajuster aux conditions locales, telles que l'adaptation à l'hôte humain observée dans le cas du Sars-CoV-2. Ainsi, l'adaptation dépend largement de la façon dont les effets des mutations disponibles se distribuent.
Se pose alors la question de savoir comment les effets de ces mutations changent au fil de l'adaptation et dans quelle mesure ce processus est prévisible ?
Pour explorer ces questions, Olivier Tenaillon et ses collaborateurs ont utilisé une expérience notablement reconnue appelée « Évolution Expérimentale à Long Terme », initiée par Richard Lenski. Dans le cadre de cette expérience, douze populations dérivées d'une souche bactérienne d'Escherichia coli ont été cultivées et propagées en laboratoire depuis 1988, accumulant chacune plus de 70 000 générations d'évolution. Les chercheurs ont ensuite minutieusement analysé l'évolution de la distribution des effets de mutations au cours de l'adaptation au sein de cette expérience de renom.

Afin de caractériser la distribution des effets des mutations, les chercheurs ont utilisé une approche quantitative impliquant l'insertion aléatoire d'un élément génétique mobile dans le génome. En analysant une centaine de milliers de mutants, ils ont pu voir les effets associés à la perturbation de chaque gène et donc construire une distribution des effets de ces mutations.
À l'échelle globale, malgré une adaptation considérable, la distribution demeure pratiquement inchangée. Cependant, un changement significatif survient au sein de la petite fraction de mutations bénéfiques. Alors que chez l’ancêtre, on trouve de nombreuses mutations augmentant de plus de 5% le pourvoir reproducteur de la bactérie, plus aucune mutation d’effet similaire n’est observée après 50 000 générations, ni étonnamment après 2 000 générations. Mas comment se traduisent ses changements globaux à l’échelle de mutations spécifiques ?
Pour aborder cette question les chercheurs ont tout d’abord examiné les gènes essentiels, dont la fonction est indispensable au bon fonctionnement de l'organisme. Dans les conditions utilisées, 550 gènes sont essentiels. Or, après 50 000 générations, 77 nouveaux gènes sont essentiels dans au moins une lignée et 97 ne sont plus essentiels dans au moins une autre. La notion d’essentialité évolue donc et révèle des interdépendances fonctionnelles mouvantes au cours de l’adaptation. 

Concernant les mutations bénéfiques, des changements rapides dans l’identité des mutations impliquées ont été observés. Ainsi, la plupart des mutations avantageuses dans l’ancêtre ne le sont plus, voir sont délétères dans un génome évolué 2 000 générations. Ces changements suggèrent une faible prédictibilité du processus. Cependant, la plupart des mutations observées dans les lignées lors de premières phases de l’adaptation sont bénéfiques chez l’ancêtre. Plus nous avançons dans l’adaptation, moins le pouvoir prédictif de la distribution des effets des mutations est important.  Ainsi, si les premières étapes de l’adaptation sont relativement prédictibles depuis le génome de l’ancêtre, les ajustements consécutifs deviennent de plus en plus imprédictibles.