Bactérie E. coli : sans neurone, elle trouve sa nourriture avec 4 secondes de mémoire

Décryptage

4 secondes de mémoire chimique suffisent à la bactérie Escherichia coli pour remonter vers sa nourriture, sans un seul neurone. L’équipe du biophysicien américain Howard Berg l’a mesuré en 1986 sur des bactéries fixées par leur flagelle. Un long essai illustré de James Somers et Edwin Morris, consacré à la nage d’E. coli, démonte cette mécanique pièce par pièce.

Une bactérie E. coli compare la concentration d’attractant perçue pendant la dernière seconde à celle des 3 secondes précédentes, selon une étude publiée dans PNAS en décembre 1986. Si le présent l’emporte, elle prolonge sa ligne droite. Sinon, elle culbute et repart dans une direction tirée au hasard.

Ce comportement porte un nom, la chimiotaxie. Aucune pièce de la machine ne « pense » : tout tient dans quelques protéines qui s’échangent des groupes phosphate. Elle n’a rien de parfait : selon une étude parue en janvier 2026, cette machine laisse filer l’essentiel de ce qu’elle perçoit.

Comment E. coli avance-t-elle vers sa nourriture ?

Elle alterne lignes droites et culbutes, et ne règle que la longueur des lignes droites. Howard Berg et Douglas Brown ont décrit la manœuvre dans un article de Nature d’octobre 1972. Pour l’observer, ils avaient construit un microscope qui suit automatiquement une cellule en trois dimensions.

Les « courses » en ligne droite durent environ une seconde. Les « culbutes », dix fois plus brèves, désorientent la cellule et lui donnent un nouveau cap, tiré au hasard.

Le moteur de ces trajets est un rotor planté dans la paroi, à la base de chaque flagelle. Quand les moteurs tournent dans un sens, les flagelles se rassemblent en une seule hélice et la cellule file droit. Quand ils s’inversent, le faisceau se défait et la bactérie culbute.

E. coli nage à environ 30 micromètres par seconde, selon une mesure de 1976 répertoriée par la base BioNumbers de Harvard. Longue de 1 à 2 micromètres, elle parcourt 15 à 30 fois sa longueur chaque seconde. Un adulte d’1,70 m qui en ferait autant filerait à plus de 90 km/h.

Quand la nourriture augmente, la bactérie culbute moins souvent et prolonge les trajets qui paient ; quand elle baisse, elle culbute plus tôt. La dérive vers la source naît de ce seul biais.

Où se loge la mémoire d’une cellule sans neurone ?

Elle se loge dans deux circuits de protéines branchés sur les récepteurs, l’un rapide, l’autre lent. Ces récepteurs se regroupent à l’une des extrémités de la bactérie, son « nez ». Selon l’essai, elle en porte cinq ou six types ; celui de l’aspartate, un attractant, mesure 35 nanomètres de haut.

Quand une molécule de nourriture se fixe sur un récepteur, une enzyme appelée CheA ralentit. Elle transfère alors moins de phosphate à une petite protéine messagère, CheY. La CheY phosphorylée met environ un dixième de seconde à diffuser du nez jusqu’aux moteurs, où elle déclenche les culbutes. Moins de CheY phosphorylée, ce sont des courses plus longues.

Ce circuit rapide dit à la bactérie où elle en est maintenant. Le second, plus lent, repose sur une centaine de protéines CheR qui ajoutent peu à peu des groupes méthyle sur les récepteurs, que d’autres enzymes retirent. Cette méthylation recale la sensibilité des récepteurs sur ce qu’ils ont perçu dans les secondes précédentes.

En 1986, Jeffrey Segall, Steven Block et Howard Berg ont mesuré la fenêtre de cette mémoire dans leur article des PNAS. Les cellules donnent un poids positif à la dernière seconde, un poids négatif aux 3 secondes d’avant, et réagissent à la différence : une dérivée, calculée par de la chimie.

Pourquoi comparer dans le temps plutôt que dans l’espace ?

Parce qu’à cette taille, l’écart de concentration entre l’avant et l’arrière du corps se perd dans le bruit. En 1977, Howard Berg et le physicien Edward Purcell ont posé le problème dans « Physics of chemoreception », paru dans le Biophysical Journal. Le hasard des molécules qui heurtent les récepteurs limite la précision avec laquelle une cellule peut mesurer une concentration en un temps donné.

La parade consiste à nager et à comparer dans le temps. En 4 secondes de mémoire, la bactérie parcourt environ 120 micromètres, au moins 60 fois sa propre longueur.

Encore faut-il garder son cap le temps de mesurer, car l’agitation des molécules d’eau fait tourner la cellule sur elle-même. Howard Berg a fixé le plancher en 1983 dans son livre Random Walks in Biology : une bactérie de 1 à 2 micromètres doit nager à au moins 30 micromètres par seconde. Mesurée à environ 30 micromètres par seconde, E. coli nage tout juste assez vite pour atteindre ce plancher, que reprend la fiche BioNumbers sur ce seuil.

À vitesse de croisière, chaque étape de la décision correspond à une distance précise, et la mémoire couvre de loin la plus longue.

Comment une si petite cellule capte-t-elle un signal infime ?

D’après l’essai, la cellule amplifie le signal : une variation de 2 % de l’occupation des récepteurs peut faire varier de 100 % la réponse des moteurs. C’est un gain de plus de 50. L’article de 1986 relevait déjà ce gain élevé.

Selon Somers et Morris, la bactérie réagit à moins de trois molécules d’attractant par volume de cellule. Elle reste réactive sur cinq ordres de grandeur de concentration, soit un rapport de un à cent mille. La méthylation rend ce grand écart possible : en recalant les récepteurs en permanence, elle les empêche de saturer.

Ces circuits tournent dans un espace minuscule : une molécule y croise presque toutes les autres en quelques secondes, rappellent les deux auteurs. Le hasard suffit à faire circuler l’information.

Peut-on parler d’intelligence sans cerveau ?

Somers et Morris assument le mot : pour eux, la chimiotaxie fait d’E. coli « un ordinateur physique d’une sophistication exquise », et non un parasite errant de l’intestin. Le système sent, compare, amplifie et oublie au bon moment.

« Une E. coli n’a évidemment pas de cerveau […] et pourtant elle possède déjà quelque chose comme un odorat, un élan, et même une mémoire. »

James Somers et Edwin Morris, auteurs de l’essai « E. coli chemotaxis »

La réserve tient au mot « mémoire ». Celle d’E. coli n’apprend rien : sa durée est fixée par la chimie de ses protéines, elle-même inscrite dans ses gènes. L’équipe de Berg l’a montré en 1986 avec des mutants privés des gènes cheR et cheB. Ils pèsent la dernière seconde comme les bactéries sauvages, mais ne comparent plus au passé : face à un petit changement, ils ne s’adaptent pas, sur des périodes allant jusqu’à 12 secondes.

L’évolution a fixé ce réglage, et il suffit de priver la bactérie d’un seul gène, cheZ, pour que sa fenêtre de mémoire s’étende sur au moins 40 secondes.

E. coli tire-t-elle le meilleur de ce qu’elle perçoit ?

Non, d’après une étude de Henry Mattingly et de ses collègues, publiée dans Nature Physics le 8 janvier 2026. Les chercheurs ont calculé la quantité d’information que la physique des molécules permet à la bactérie de capter. Puis ils ont mesuré, cellule par cellule, ce que sa chaîne de signalisation en retient vraiment.

Selon leurs calculs, la bactérie encode environ cent fois moins d’information que cette limite physique. La faute en revient au bruit de son propre traitement du signal, plus qu’au hasard des molécules qui frappent ses récepteurs. La mémoire de 4 secondes fonctionne, mais elle gaspille.

Pour les auteurs, reste à trouver quelles contraintes propres à la bactérie ont façonné ce comportement au fil de l’évolution. Le physicien Robert Endres, dans un commentaire intitulé « Is E. coli good at chemotaxis? », y voit une remise en cause de l’idée, longtemps admise, d’une chimiotaxie bactérienne proche des limites physiques.

Article créé en collaboration avec l’IA.