Le laboratoire où travaille Christine Guzman ressemble à tous les laboratoires du monde. On y trouve des microscopes en veux-tu en voilà, un fouillis d’éprouvettes et de pipettes, des hottes de sécurité biologique et des frigidaires dont on craint toujours d’ouvrir la porte. A l’intérieur de l’un d’eux, en lieu et place des habituelles boîtes de Pétri, on découvre des tupperwares remplis d’une eau claire légèrement salée où batifolent des créatures bizarres, des sortes de minuscules tubes coiffés de fins tentacules. «Ce sont des anémones de mer que je maintiens à une température de 18 degrés, explique Christine Guzman, quand je souhaite qu’elles se reproduisent, je les déplace dans un incubateur éclairé où il fait environ 26 degrés. Il leur suffit alors de douze heures pour libérer des œufs et du sperme.»

Nemostella Vectensis

Christine Guzman n’élève pas ces anémones de mer (Nematostella vectensis) pour le plaisir de les vendre ensuite à des aquariophiles. Cet animal, qui affectionne les estuaires, présente certaines spécificités qui en font un organisme modèle pour les biologistes.

L’anémone, cette lointaine cousine

Notre fierté dût-elle en souffrir, nous avons un ancêtre commun avec Nematostella vectensis, même si l’évolution a depuis fait son œuvre. L’anémone de mer, elle, est restée un organisme très primitif, doté de l’un des systèmes nerveux les plus simples qui soit, caractérisé par l’absence de cerveau. Tout le contraire de notre encéphale qui, lui, a évolué vers une complexité sans pareille. Mais aussi intelligents que nous soyons devenus, nous ne pouvons pas encore répondre à la question fondamentale suivante: comment diable tout cela s’est-il mis en place?

Capable de «réfléchir» sans cerveau
Ce qui fascine en particulier les biologistes chez les cnidaires, la branche à laquelle appartient l’anémone, c’est qu’ils sont capables de fuir un ennemi ou de capturer une proie alors qu’ils n’ont pas de cerveau, tout juste un réseau nerveux diffus. «Comment peuvent-ils adopter ces comportements relativement complexes alors qu’ils n’ont que quelques centaines de neurones?» s’émerveille Christine Guzman.

Christine Guzman

Des rives du Pacifique à celles de la Sarine
C’est précisément pour percer ce mystère que Christine Guzman a quitté le confort moite de l’Institut de science et technologie d’Okinawa, où elle a obtenu son doctorat après avoir décroché son bachelor à l’Université des Philippines. «Je m’intéressais en particulier aux coraux et aux éponges qui, comme les anémones, sont des formes de vie très primitives.» Pour se plonger dans cette recherche, la chercheuse a décroché un subside du Fonds national suisse (SNSF) d’un montant de 266’000francs . Quant à son arrivée à l’Université de Fribourg, pourtant si éloignée des eaux chères aux anémones, elle s’explique très simplement: rares sont les laboratoires qui étudient Nematostella Vectensis. «Sans oublier, précise-t-elle, que je savais qu’on utilisait ici des méthodes à la pointe de la recherche.»

Comme des coqs en pâte
Christine Guzman nourrit sa centaine de milliers de pensionnaires à l’aide d’une décoction à base de crevettes dont elle a le secret: «Prendre soin de mes pensionnaires occupe la moitié de mon temps, confie la chercheuse, à part les nourrir, je dois tous les trois jours préparer l’eau de mer, cultiver la nourriture, faire le ménage et, bien sûr, faire en sorte qu’ils se reproduisent. Ce n’est pas une mince affaire!»

Big brother is watching you
Une partie des observations se déroulent à l’aide d’un puissant microscope, tantôt à la lumière du jour, tantôt dans le noir. «Le comportement des anémones diffère en fonction de la luminosité, explique Christine Guzman, nous devons donc étudier les deux configurations». La chercheuse leur donne ensuite des proies que les anémones, bien qu’elles n’aient pas de véritables organes sensoriels comme les yeux, les oreilles ou le nez, perçoivent et attrapent à l’aide de leurs tentacules. «Elles doivent avoir une sorte de sens qui leur permet de détecter certaines substances chimiques.» Et, à en croire la chercheuse, les Nematostella font les mêmes caprices qu’un enfant devant une assiette d’épinards: «Nous avons remarqué qu’elles adorent les protéines, mais détestent les légumes. Quand elles sont affamées, elles se baffrent littéralement!» Pour suivre les faits et gestes de ses pensionnaires vingt-quatre heures sur vingt-quatre, Christine Guzman les filme, puis recourt à la méthode DeepLabCut, une technique qui lui permet de suivre avec grande précision la position des parties du corps des anémones qu’elle a filmées. Observer le comportement de Nemostella vectensis est une chose, savoir ce qui se passe au niveau de son système nerveux en est une autre, bien plus complexe.

Entrer dans le vif du sujet
La chercheuse essaie également d’implémenter des techniques qui ont faire leur preuve avec la mouche du vinaigre, sans doute l’animal le plus étudié en biologie du développement. «J’en suis encore aux balbutiements, concède-t-elle, car je ne suis à Fribourg que depuis le mois de septembre. Notre but est de voir, à l’aide d’imagerie calcique, quels sont les neurones qui s’activent quand les anémones détectent de la nourriture, un changement de température, de lumière ou des impulsions électriques.» En inhibant ensuite certains gènes, il sera alors possible de voir quel neurone commande l’ouverture de la bouche ou encore la rétractation des tentacules. La chercheuse doit encore peaufiner cette approche dont Simon Sprecher, son superviseur, est un fin spécialiste. «J’ai bon espoir d’obtenir des résultats intéressants dans les prochains mois», confie celle qui se réjouit au moins autant de voir le retour du printemps et des beaux jours.

• Christine Guzman
• Simon Sprecher Group
• Photo de titre: Christine Guzman et Azzurra Colautti © Christian Doninelli / Photos de Nematostella: © Christine Guzman

Simon Sprecher, Sie konnten nachweisen, dass beim Symsagittifera roscoffensis, einem Wurm aus der Gruppe der Plattwürmer, nach einer Enthauptung der Kopf nachwächst und dass diese Tiere ein Hirn haben. Welches ist die Neuheit?
Man wusste bereits, dass sie regenerieren können. Aber nicht genau wie. Man wusste, dass man das Hinterteil abschneiden kann. Bei gewissen Arten auch den Kopf. Aber ob diese Tiere ein Hirn haben, war bisher umstritten. Und wir haben in dieser Publikation jetzt eben bewiesen, dass sie ein Hirn haben. Ein komplexes Hirn sogar. Wenn man den ganzen Kopf entfernt, wächst das ganze Hirn nach. Die Frage: Funktioniert es auch wieder wie vorher? Unsere Experimente zeigen: Ja.

Simon Sprechers Arbeit konzentriert sich auf die Erforschung des Gehirns, dessen Funktionsweisen noch immer zum grössten Teil unverstanden sind. Der 39-jährige Biologe ist assoziierter Professor am Departement für Biologie.

Wieso gerade der Symsagittifera roscoffensis?
Es gibt extrem viele verschieden Würmer. Im Grunde beschreibt man mit «Wurm» nur die Form des Tieres. Viele Tierstämme werden als Würmer bezeichnet,  der Regenwurm als Klassiker gehört zu den Anneliden, es gibt Rundwürmer, die oft im Meer oder als Parasiten leben oder auch Plattwürmer… alles verschiedene Stämme, so unterschiedlich wie ein Seeigel und ein Mensch. Nur für uns sehen sie halt aus… wie Würmer.
Beim Regenwurm ist die Regeneration nicht so gut. Ganz anders beim Plattwurm. Gewisse Arten lassen sich in 100 Stücke schneiden und jedes davon gibt einen neuen Wurm. Die Gruppe der Acölen, wie sie auch genannt werden, sind auch im evolutionären Sinne sehr spannend. Als erste Lebewesen entstanden Bakterien, Prokaryoten, dann Lebewesen mit Zellkern und Organellen aus welchen die Tiere, Pflanzen und Pilze hervorgingen. Die ersten, einfachsten Tiere waren im Prinzip nicht viel anderes als eine Ansammlung von Zellen, wie beispielsweise die Schwämme. Die ersten Wesen mit Geweben, wie zum Beispiel Muskeln, waren Quallen und Polypen, die sogenannten «Blumentiere». Diese verfügen bereits über ein diffuses Nervensystem. Das erste «richtige» Tier schliesslich, wie wir uns ein solches vorstellen, mit einem Vorne und Hinten, also einem Kopf und entsprechend einem Hirn, waren diese Würmer. Deshalb sind wir an ihnen interessiert.

Spüren die was?
Weiss ich nicht. Man weiss es nicht.

Wie wurde das Vorhandensein eines Hirns bewiesen?
Man kannte bislang keinen Marker, der das ganze Hirn anfärbt. Mit Serotonin konnte man zwar ein Nervennetz aufzeigen, das gegen vorne dichter wird, aber kein Hirn. Serotonin zeigt nur etwa 10 Prozent an. Wir haben also nach einem Marker gesucht, der alles anfärbt. Mit Neuropil haben wir diesen auch gefunden und so gesehen, dass die Würmer ein Gehirn haben wie ein Insekt auch.

Wie lautet Ihre einfache Definition von Gehirn?
Eine Zentrale im Nervensystem, die alle anderen Domänen kontrolliert.

Sie konnten aufzeigen, dass das Hirn wieder funktioniert, wenn es nachgewachsen ist. Wie?
Die Würmer mussten verschiedene Verhaltenstests bestehen: Die Bewegung zum Licht hin, das Schwimmen nach unten und die Körperkontraktion bei heftigem Schüttelstimulus. Wir haben beobachtet, wozu sie vor der Enthauptung in der Lage sind, was sie ohne Kopf können und was mit dem nachgewachsenen Kopf. Die Körperkontraktion hatten sie noch immer im Griff, die ist also kein Beweis fürs Hirn. Die Bewegung zum Licht hin war ohne Kopf nicht möglich und das Schwimmen nach unten auch nicht. Als der Kopf nachgewachsen war kam nach 20-30 Tagen auch die Bewegung zum Licht hin wieder zurück. Das Abwärtsschwimmen hingegen hat sich nicht regeneriert. Obwohl das dafür nötige Organ vorhanden war, die Stratozyste. Offen bleibt die Frage, ob die Teilregeneration auf den Stress zurückzuführen ist oder auf die Regenerationsfähigkeit an sich.

Würmer suchen das Licht: Eine Zeitraffer-Aufnahme der Phototaxis bei Symsagittifera roscoffensis.

Was bringt uns diese Erkenntnis?
Ein hoffentlich besseres Verständnis des Gehirns. Wir verstehen über 90 Prozent dieses Organs noch nicht.
Ich fand es ausserdem sehr spannend, innerhalb von so kurzer Zeit eine solche Regeneration zu beobachten. Eine Entstehung nicht aus der Embryogenese, sondern durch Regeneration. Der Mensch ist ja sehr schlecht in Sachen Regeneration. Über die Forschung können wir viel lernen darüber, wie etwa ein Schaltkreis wiederaufgebaut wird. Damit die Würmer regenerieren können, müssen die Elemente richtig identifiziert werden. Bei den Würmern geht das offenbar. Wieso nicht beim Menschen? Nicht zuletzt sind diese Tiere auch sehr nützlich zum Testen von Medikamenten oder zur Stammzellenforschung.

Ist dieser Wurm das «einfachste» Tier?
Wahrscheinlich – zumindest das einfachste Tier mit Gehirn. Die Bandbreite beginnt bei einfachen Einzellern und geht bis zu uns, den Menschen. Im Prinzip passiert während der Evolution alles zufällig, und nur was einen Vorteil verschafft, bleibt hängen. Die Evolution hat also nicht ein Ziel, wie beispielsweise immer kompliziertere Lebewesen zu schaffen. Diese Würmer hatten ebenso viel Zeit wie wir, um sich zu spezialisieren. Und sie sind nicht ausgestorben. Also machen sie etwas richtig. Aus einer Wurmperspektive kann es gut sein, dass wir evolutionär komische, nicht sehr erfolgreiche Tiere sind.

Gibt es andere Tiere, die über eine solche Regenerationsfähigkeit verfügen?
Nicht in diesem Ausmass, aber schon auch bemerkenswert. Der Zebrafisch etwa, kann auch Stücke des Auges oder des Hirns regenerieren. Bei Säugetieren und Menschen ist diese Fähigkeit fast komplett verschwunden.

Wieso können wir dies nicht mehr?
Vermutlich weil die Verknüpfung der Neuronen sehr viel komplizierter ist. Diese Würmer haben etwa 700 Neuronen. Eine Fruchtfliege bereits rund 100’000. Und der Mensch? 100 Billionen?

Und als nächstes?
Wir wollen ja rausfinden, ob der  Symsagittifera roscoffensis das Urhirn war und die Genetik dahinter untersuchen. Um zu verstehen, wie ein solch komplexes Netzwerk wieder zusammenwachsen und sich regenerieren kann.

Die Forschungsresultate zum Symsagittifera roscoffensis wurden kürzlich in der publiziert.