De la bioluminescence à l’optogénétique
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Article rédigé par
DOMINIQUE MORELLO, Chercheuse en biologie moléculaire, Directrice de Recherche au CNRS, retraitée. Membre de l’association Femmes & SciencesDepuis la nuit des temps, nous avons utilisé le feu pour nous éclairer et ce n’est que relativement récemment que l’éclairage électrique est venu remplacer la flamme. Mais de très nombreux organismes vivants, bactéries, vers, insectes, champignons, méduses, poissons, algues, etc., ne nous ont pas attendus pour produire leur propre lumière et l’utiliser pour se repérer dans l’obscurité, se déplacer, communiquer, attirer des partenaires sexuels ou des proies, se camoufler ou repousser les prédateurs. La recherche sur les mécanismes impliqués dans le processus de production lumineuse chez ces espèces a permis de mieux comprendre comment notre cerveau fonctionne et de développer des traitements pour soigner des troubles de la vision. L’attribution du Prix Nobel de physiologie ou Médecine le 5 octobre 2026 à 3 lauréats pour leurs travaux sur l’optogénétique est l’occasion de mettre à jour un article publié sur notre site en 2017 et faire le point.
Quelle est la différence entre la lumière du soleil et celle d’un ver luisant ?
Le soleil, comme la bougie ou une ampoule à filament nous éclairent tout en chauffant. Ces lumières sont émises par des sources à haute température. Tandis que le ver luisant émet de la lumière mais sans chauffer. Cette source de lumière froide ne repose donc pas sur une variation de température. Le physicien allemand Eilhard Wiedemann, (1852-1928) lui donna en 1888 le nom de luminescence (du latin lumen, lumière). Ce phénomène est décrit depuis l’antiquité mais ne sera vraiment compris qu’au milieu du XIXe siècle et encore faudra-t-il attendre les années 1920-1930 pour se rendre compte qu’il existe différents types de luminescence, grâce en particulier aux travaux de deux physiciens français Jean Perrin (1870-1942) et son fils Francis (1901-1992). Suivant le type d’énergie transformée en lumière (type d’excitation), on distingue toutes sortes de luminescence dont les deux principales sont la chimiluminescence et la photoluminescence (qui inclut la phosphorescence et la fluorescence, voir encadré). Mais, au-delà de ces noms, ce qui nous intéresse ici avant tout est la bioluminescence, un terme générique utilisé pour désigner l’émission de lumière par les organismes vivants.
La luminescence de bactéries, de vers luisants, de crustacés ou de méduses : même combat !
Le lampyre ou ver luisant commun (Lampyris nocticula) émet la nuit un signal lumineux clignotant de couleur verte, signalant ainsi sa présence à ses partenaires sexuels. Ce coléoptère constitue probablement l’exemple le plus fameux d’un organisme terrestre bioluminescent. Dans ce cas et dans celui de bien d’autres organismes vivants luminescents, la luminescence repose sur la conversion de l’énergie chimique en énergie lumineuse. C’est la raison pour laquelle on l’appelle chimiluminescence. Ce n’est pas en travaillant sur le ver luisant mais sur des bactéries que le biologiste Raphael Dubois (1849-1929) comprit comment cette luminescence est produite. Il décrivit en 1887 le fruit de ses études et montra que la lumière émise reposait sur la présence, dans les organismes bioluminescents, de deux molécules solubles dans l’eau, l’une, une enzyme, la luciférase, et l’autre son substrat, la luciférine (du latin Lucifer, lux et ferre, celui qui porte la lumière). En présence de dioxygène (O2), le complexe luciférine/luciférase émet de la lumière. A l’exposition universelle de 1900, Dubois montra que 6 bouteilles de 4,5l remplies de bactéries luminescentes éclairaient suffisamment une pièce pour qu’un visiteur y lise son journal sans difficulté et … sans risque d’explosion !
Plus tard, le zoologiste Edmund Newton Harvey (1887-1959) étudia cette fois-ci des crustacés luminescents, Vargula hilgendorfii, des ostracodes de la famille des Cyprinidés, qu’il avait admirés lors de sa lune de miel au Japon. Il découvrit alors qu’il y avait différents types de luciférase et de luciférine et qu’elles n’étaient pas interchangeables. Mais bien que leur nature chimique diffère, la luminescence observée chez le ver luisant, les bactéries ou les crustacés luminescents résulte toujours d’une même réaction chimique au cours de laquelle une molécule de haute énergie contenant un grand nombre de doubles liaisons conjuguées est convertie en présence d’oxygène en une molécule de plus faible énergie et la différence d’énergie est libérée sous forme de lumière visible.
Organismes bioluminescents
Outre les bactéries, les vers ou les crustacées mentionnés plus haut, de très nombreux organismes vivants sont bioluminescents, y compris des champignons (Omphalotus, Mycena, Panellus) et des algues, telle l’algue verte d’eau douce unicellulaire Chlamydomonas reinhardtii, star de l’optogénétique (cf ci-dessous). Et en matière d’abondance, la palme revient sûrement aux organismes marins (plancton, poissons, calmars, méduses, …). Le grand naturaliste explorateur des fonds marins William Beebe, qui inventa la bathysphère (1877-1962), estimait qu’au-delà de 400 m de profondeur, niveau auquel plus aucune lumière diurne ne parvient, 95% des poissons étaient bioluminescents ! Certains poissons lumineux (Kryptophanaron alfredi, Photoblepharon palpebratum ou Anomalops katoptron) ne le sont pas par eux-mêmes mais ils abritent dans une poche près de leurs yeux des bactéries bioluminescentes qui, tels de puissants phares, leur permettent de voir en profondeur.
Selon l’organisme considéré, la bioluminescence pourrait revêtir plusieurs fonctions : éclairage, déplacement vers la lumière, attraction des proies, protection contre les prédateurs et communication, en particulier entre les partenaires lors des parades sexuelles, comme nous l’avons mentionné plus haut pour les vers luisants. Parfois, au lieu d’émettre de la lumière, certains organismes marins produisent des protéines qui l’absorbent. C’est le cas des calmars qui possèdent dans leur peau une protéine, la réflectine, qui leur permet de changer de couleur et de s’adapter à leur environnement, voire de se camoufler. Cette propriété a été utilisée par des chercheurs pour construire un biofilm invisible à la lumière infrarouge. Les objets ou les personnes qui en sont recouverts deviennent ainsi invisibles à la vision infrarouge !
De nombreuses applications
Cas de la GFP
Les recherches sur la bioluminescence de la méduse ont conduit à l’identification de deux protéines d’intérêt majeur au plan scientifique. La première, l’aéquorine, est une luciférase qui tire son nom de la méduse dont on l’a extraite, Aequorea victoria. L’aéquorine se lie à « sa » luciférine (appelée dans ce cas la coelanthérazine) en présence d’oxygène mais aucune lumière n’est émise sauf en présence d’ions calcium.
D’autres enzymes fonctionnant comme l’aéquorine ont été découvertes et constituent la famille des photoprotéines. Les biologistes cellulaires les utilisent pour étudier les activités cellulaires liées au calcium. Contrairement à ce qui se passe dans un tube à essai où l’aéquorine activée émet une lumière bleue (avec un pic à 470nm), in vivo, dans la méduse, la lumière émise est verte (avec un pic à 510nm). C’est le chimiste et biologiste japonais Osamu Shimomura (1928-2018) qui en découvrit la cause en 1969.
De fait, cette méduse contient une autre protéine que Shimomura isola et nomma GFP pour « green fluorescent protein ». Elle absorbe par transfert l’énergie émise par l’aéquorine qu’elle réémet dans le vert.
Ses découvertes ont révolutionné la biologie et ont valu à Shimomura, Martin Chalfie et Roger Tsien le prix Nobel de chimie en 2008 pour leurs travaux sur la GFP et leurs très nombreuses applications. La GFP est utilisée pour visualiser à l’aide d’un microscope à fluorescence de nombreux phénomènes biologiques dans l’organisme de manière non invasive et en temps réel. Par exemple, lorsqu’elle est couplée à une protéine donnée, la GFP est utilisée comme rapporteur de cette protéine et permet ainsi d’en suivre la localisation dans une cellule ou dans un organisme tout au long du développement.
Brainbow mice
Par la suite, plusieurs variantes de la GFP ont été construites et d’autres protéines fluorescentes ont été extraites d’autres organismes. Les scientifiques disposent actuellement de plus d’une centaine de protéines fluorescentes couvrant presque tout le spectre du visible, du violet au rouge ainsi que le proche infra-rouge, ce qui leur permet d’étudier des processus complexes. Par exemple, des neurobiologistes de l’université de Harvard ont fabriqué en 2007 des souris dont chacune des dizaines de millions de cellules du cerveau (brain en anglais) avait sa propre teinte parmi toutes les nuances de l’arc en ciel (rainbow en anglais, d’où le jeu de mot brainbow mice). Cette stratégie permet aux nombreuses équipes de recherche qui l’ont appliquée depuis à d’autres organismes modèles (la mouche drosophile, le nématode C. elegans, le poisson zèbre) de mieux comprendre comment les neurones sont connectés et l’impact de ces connections sur des activités mentales variées et sur le comportement.
L’optogénétique ou comment manipuler les neurones avec la lumière
Tout est parti des travaux de trois biophysiciens allemands, Peter Hegemann, Georg Nagel et Ernst Bamberg qui cherchaient à comprendre comment l’algue Chlamydomonas reinhardtii se déplace vers la lumière. En 2002, ils découvrent dans sa membrane une molécule sensible à la lumière, une opsine. C’est un mot qui nous est familier puisque la rétine de notre œil contient des photorécepteurs dont l’activité dépend d’opsines, mais elles ne fonctionnent pas de la même façon1. Dans le cas de cette algue, l’opsine (ou channelrhodopsine, CR) forme un canal membranaire ionique photosensible, c’est-à-dire qui s’ouvre en présence de lumière verte et laisse entrer les ions, entrainant une propulsion de l’algue vers la zone éclairée. En poursuivant leurs travaux, ces chercheurs mettent en évidence en 2003 une autre opsine, la CR2, qui s’ouvre sous l’action d’une lumière bleue (maximum d’absorption à 480nm). Et c’est alors qu’entre en scène un psychiatre neurobiologiste californien, Karl Deisseroth qui va utiliser cette protéine pour étudier des circuits cérébraux chez la souris. Avec son étudiant Edward Stuart Boyden, ils introduisent la CR2 dans des neurones murins en culture et montrent que les neurones sont photostimulés à l’échelle de la milliseconde2 ! C’est l’expérience fondatrice de l’optogénétique, un terme forgé par Deisseroth en 2006, qui combine les techniques de l’optique à grande vitesse et de la génétique pour cibler l’expression d’une protéine photosensible dans des neurones particuliers et les activer. L’équipe de Stanford a poursuivi son étude et a réussi à activer des neurones dans le cerveau de souris vivantes. Depuis, cette technique adoptée par des centaines de laboratoires à travers le monde ne cesse de s’améliorer : diversification des outils photogénétiques ; augmentation de la diversité de leurs propriétés spectrales ; raffinement de la précision spatiale et temporelle du contrôle des neurones ; contrôle indépendant des groupes distincts de cellules à l’aide d’outils sensibles à des longueurs d’onde différentes. De nombreuses études utilisant l’optogénétique visent à décrypter les circuits neuronaux impliqués dans la mémoire, l’attention, la peur… Dans des modèles de souris mimant des maladies humaines, on sait restaurer des souvenirs ou au contraire effacer un souvenir traumatisant3 .
Promesses thérapeutiques
L’ensemble de ces améliorations offre autant de pistes pour le traitement de certaines maladies du système nerveux pour lesquelles il n’existe pas de solution thérapeutique satisfaisante. En 2021, un patient aveugle souffrant de rétinite pigmentaire, une maladie qui détruit les cellules photoréceptrices de la rétine, a retrouvé une partie de la vision grâce à une thérapie optogénétique (injection dans un œil d’un vecteur portant un gène d’opsine et port de lunettes à réalité augmentée)4. Des résultats très récents indiquent que 6 des 9 autres patients aveugles traités pareillement ont aussi recouvré une vision partielle, en noir et blanc5. Cette technique non invasive qui profite de très nombreuses améliorations techniques ouvre de larges horizons thérapeutiques.
Le comité Nobel a récompensé le 5 octobre 2026 les trois acteurs principaux de la longue histoire de l’optogénique : Georg Nagel, Peter Hegemann et Karl Deisseroth.
Encadré (retour à l’article)
La photoluminescence est un phénomène physique au cours duquel l’émission de lumière résulte de l’absorption de lumière. Il peut lui-même être subdivisé en deux, la fluorescence et la phosphorescence : selon que l’émission est immédiate et transitoire (10-8 seconde), on parle de fluorescence (c’est le cas de la GFP décrite dans le texte).Si elle est retardée et dure longtemps (plus d’une milliseconde), on parle de phosphorescence. La matière phosphorescente continue à émettre de la lumière tant que les électrons qui ont été excités ne sont pas tous retournés, à leur niveau d’énergie initial, ce qui se produit lentement. C’est le cas de certaines montres ou des moutons ou encore des étoiles phosphorescentes qui décorent le plafond des chambres d’enfant.
Notes
- Les frères Dalton et les gènes de la vision des couleurs – Dominique Morello et Serge Erlinger https://museum.toulouse-metropole.fr/les-freres-dalton-et-les-genes-de-la-vision-des-couleurs/
- Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Edward S Boyden 1 , Feng Zhang, Ernst Bamberg, Georg Nagel, Karl Deisseroth. Nat Neurosci. 2005 Sep;8(9):1263-8. doi: 10.1038/nn1525.
- https://lejournal.cnrs.fr/nos-blogs/aux-frontieres-du-cerveau/loptogenetique-quand-la-lumiere-prend-les-commandes-du-cerveau.
- Partial recovery of visual function in a blind patient after optogenetic therapy. J-A Sahel, E. Boulanger-Scemama, C. Pagot et al. Nat Med. 2021 Jul;27(7):1223-1229.
- Optogenetic therapy for restoring aspects of visual function. J-A. Sahel, M.D. Futterknecht, I. Audo et al. N Engl J Med, 2026 Oct 8;395(14):1399-1408.
Image d’en tête : Tubes à essai de solutions fluorescentes. Crédit : Raimund14 – stock.adobe.com
