La paléomicrobiologie appartient à la fois à la microbiologie, à la paléopathologie, et à l'archéologie. Elle réalise le diagnostic microbiologique des maladies infectieuses anciennes pour mettre en évidence des microorganismes pathogènes dans des échantillons humains ou environnementaux anciens. Encore marginale à la fin des années 1990, la discipline connait, depuis cette date, un développement révolutionnaire avec l'introduction des techniques de génétique moléculaire.
Avant l'ère génétique
Lésions anatomiques osseuses L'examen du matériel osseux peut évoquer des complications osseuses de maladies infectieuses. En particulier la tuberculose, la lèpre, les tréponématoses (dont la plus connue est la syphilis), les ostéomyélites et d'autres infections osseuses. Toutefois l'examen de l'os sec (squelette seul) ne donne qu'un diagnostic probable, sujet à de nombreuses causes d'erreurs. Ainsi, la pseudopathologie est une sous-discipline qui étudie le devenir post-mortem des os (influences environnementales physico-chimiques et biologiques), en bref qui recense tout ce qui peut faire ressembler à une maladie, mais qui n'en est pas.
L'examen des tissus mous L'examen des tissus mous est possible dans le cas de momies ou de cadavres momifiés par le froid (glacier, permafrost...) ou la dessication (désert). Le diagnostic peut être appuyé par l'examen des organes, la microscopie optique et électronique, la radiologie et autres moyens d'imagerie, la sérologie, etc. L'organe le plus susceptible d'être touché par une maladie infectieuse est les poumons. Le premier diagnostic de pneumonie chez une momie égyptienne a été publié en 1910. Depuis des auteurs publient des séries de plusieurs dizaines de cas semblables.
Le diagnostic de variole chez des momies égyptiennes, dont celle du pharaon Ramsès V, a été très discuté durant tout le (depuis 1912). Les tentatives d'identifier le virus par microscope électronique ou radio-immunologie n'ont pas été jugées convaincantes. En revanche, il n'en est pas de même pour la démonstration, faite en 1986, de variole chez un enfant momifié en Italie au .
Le diagnostic de paludisme est parfois possible par approche immunologique (immunofluorescence, ELISA...) de tissu splénique (provenant de la rate). Enfin, il est possible d'identifier de nombreuses maladies parasitaires par les formes calcifiées du parasite (notamment les œufs) que l'on peut retrouver dans les tissus ou les coprolithes (selles minéralisées ou desséchées) que l'on cherche dans les sédiments des latrines historiques.
Au total, au début des années 1990, le bilan de ce champ de recherches était plutôt maigre : 2 ou 3 douzaines de maladies infectieuses plus ou moins plausibles.
La révolution génétique Elle provient essentiellement de la mise au point de la technique d'amplification de l'ADN par PCR (Polymerase Chain Reaction). C'est la possibilité de détecter une seule molécule d'ADN de départ en l'amplifiant en plusieurs centaines de milliers de copies.
La deuxième grande technique est le séquençage ADN qui permet de déterminer les séquences de gènes, obtenant ainsi le code génétique d'un organisme. À partir des séquences génétiques de plusieurs organismes différents, il est possible de construire des arbres phylogénétiques, représentant les liens évolutifs de ces organismes, à la façon d'un arbre généalogique, dont on peut dater approximativement les séparations de branches par des études d'horloge moléculaire.
De telles études s'appuient sur la bio-informatique. Toutes ces techniques se développent, se diversifient, et se renouvellent sans cesse : « NGS (Next Generating Sequencing) », « suicide PCR », etc. En théorie, il devient possible de faire le diagnostic paléomicrobiologique de tous les micro-organismes.
En pratique, les difficultés sont nombreuses, exposant à des causes d'erreur. Les ADN anciens sont le plus souvent dégradés, très fragmentés et chimiquement modifiés, sans compter les problèmes de contamination d'un échantillon par ADN moderne. Des méthodes alternatives ou complémentaires ont été mises au point : détection d'acide mycolique plus résistant que l'ADN (pour les mycobactéries anciennes), analyse des protéines par spectrométrie de masse, multiples techniques immunologiques (dont les techniques immuno-enzymatiques et immuno-PCR).
Il n'existe pas encore de critères universels de validité ou d'authenticité ("normes de qualité" de la recherche) reconnus par tous, d'où l'existence de controverses sur la véritable valeur des travaux publiés
Matériels d'études Depuis la fin des années 1990, la pulpe dentaire, et plus récemment le tartre dentaire, sont apparus comme de nouvelles sources de microorganismes anciens.
Pulpe dentaire En 1992, une étude de médecine légale inaugure la technique de recherche ADN à partir de la pulpe dentaire. Il s'agissait d'un travail de recherche visant à identifier les restes humains très dégradés (victimes de catastrophes aériennes), la dent étant l'organe le plus dur du corps humain. À partir de la pulpe dentaire d'une seule dent, on peut obtenir 6 à 50 microgrammes d'ADN. Dans la plupart des cas, l'ADN de haut poids moléculaire peut être présent, mais la majeure partie est constitué d'ADN dégradé.
Du point de vue historique, si la cavité pulpaire reste fermée et intacte, la pulpe dentaire peut persister plusieurs milliers d'années. La radiographie des mâchoires permet de détecter et localiser les meilleures dents à prélever. On part du principe que les bactéries présentes dans le sang peuvent coloniser la pulpe, et qu'elles s'y retrouvent piégées au moment du décès. Plusieurs micro-organismes ont pu être ainsi identifiés : Bartonella quintana (Fièvre des tranchées), Mycobacterium lepræ (Lèpre), Mycobacterium tuberculosis (Tuberculose), Rickettsia prowazekii (Typhus), Salmonella enterica (Typhoïde), Yersinia pestis (Peste)Hieu Tung Nguyen. Détection des microorganismes à partir de la pulpe dentaire ancienne. Thèse de Médecine. Marseille. 2012...
Tartre dentaire Dans les années 1980-1990, le tartre dentaire était déjà utilisé comme source de débris alimentaires fossilisé, permettant d'avoir une idée du régime alimentaire de l'individu. Depuis, le tartre est aussi devenu une source de qualité pour la recherche de bactéries et de biomolécules. Au cours de la formation du tartre, le biofilm des bactéries se minéralise, 200 millions de cellules bactériennes peuvent être piégées dans de tartre. On peut donc retrouver en couches chronologiques des bactéries calcifiées, des microfossiles alimentaires, de l'ADN mitochondrial, et de nombreuses biomolécules.
La première étude biomoléculaire du tartre ancien a été faite en 1996, elle a pu identifier Streptococcus mutans (agent de la carie dentaire) par immunohistochimie. Depuis 2011, d'autres agents de la cavité buccale ont pu être identifiés et confirmés par microscopie électronique et PCR. Une perspective s'ouvre pour l'étude des flores (microbiome) buccales anciennes, ainsi que des réponses immunes de l'hôte à ses pathogènes.
Quelques données actuelles Les données actuelles ne sont pas toutes définitivement acquises ou universellement reconnues. Il faut plutôt les considérer comme des problématiques en cours de discussion.
Tuberculose Avant les années 1990, l'hypothèse dominante faisait remonter l'origine de Mycobacterium tuberculosis au néolithique avec la domestication des bovins, M. tuberculosis se serait séparé d'une souche africaine de M. bovis. Cette hypothèse est abandonnée depuis le séquençage complet de M. tuberculosis (1998) et des autres mycobactéries.
Les études paléogénétiques indiquent que M. tuberculosis et bovis ont évolué à partir d'un ancêtre commun présent chez les mammifères et qui aurait infecté les hominidés d'Afrique de l'est, il y a trois millions d'années. Cet ancêtre commun aurait co-évolué avec ses hôtes pour aboutir aux mycobactéries humaines et animales actuelles. M. tuberculosis appartient à la souche la plus ancienne, la plus proche du progéniteur ancestral. Puis, surtout par délétions (pertes d'ADN), se succèdent les séparations de M. africanum, M. microti, et enfin de M. bovis, la plus récente.
Les souches modernes pathogènes M. tuberculosis seraient issus d'un clone apparu il y a à ans.
Les lésions osseuses tuberculeuses typiques (mal de Pott) du néolithique sont décrites depuis le début du . Chez des momies égyptiennes et péruviennes, ce diagnostic est renforcé par une autre présence caractéristique : abcès du psoas, qui accompagne souvent la tuberculose vertébrale. Enfin le diagnostic a pu être confirmé par ADN et acide mycolique chez des momies pré-colombiennes, israélienne (désert du Neguev, ap. J.-C.), squelettes médiévaux (Angleterre, Hongrie). Il est plus facile de retrouver l'ADN mycobactérien que l'ADN humain dans un même spécimen. L'ADN mycobactérien est riche en guanine et cytosine, ce qui renforce sa stabilité, les mycobactéries ont une paroi cellulaire riche en lipides protégeant mieux l'ADN.
De nombreuses études confirment la présence de M. tuberculosis en Amérique pré-colombienne. En 2001, une étude, sur un métacarpe de bison de ans, montre la présence d'une mycobactérie plus proche de M. africanum et tuberculosis que de M. bovis. Les doutes sur la présence de M. tuberculosis s'appuyaient sur la grande virulence de la tuberculose des européens sur les amérindiens, suggérant une population naïve (non immunisée). On suggère maintenant que, du fait d'une plus grande et plus ancienne urbanisation, la tuberculose européenne était plus virulente que l'américaine, et les européens plus résistants que les amérindiens.
On admet aujourd'hui que la tuberculose était bien présente en Amérique du Nord et du Sud avant l'arrivée des Européens, on la retrouve essentiellement chez les populations agricoles de plus grande densité humaine. Toutefois, on explique difficilement pourquoi on n'a pas encore retrouvé de preuves concrètes de M. tuberculosis en Amérique centrale (culture Maya). On suggère des particularités génétiques mycobactériennes, ou tenant à la relation hôte-bactérie, amenant une plus grande rareté des complications osseuses, susceptibles d'être retrouvées.
Lèpre Mycobacterium lepræ est strictement humain et non cultivable (croissance extrêmement lente). Ces caractères seraient liés à son génome, dont la moitié est faite de pseudogènes (gènes non fonctionnels ou régions non codantes). Ce génome est particulièrement stable, on distingue 4 types et 16 sous-types, qui peuvent servir de marqueurs pour suivre les migrations humaines (analyses de phylogéographie).
Les données de paléogénétique indiquent que M. lepræ aurait divergé d'un ancêtre commun aux mycobactéries, il y a 66 millions d'années, pour co-évoluer avec ses hôtes (évolution par réduction du génome). Il se serait adapté à des hominidés (quelques millions d'années) ou au genre homo (quelques centaines de milliers d'années). Un M. leprae ancestral, originaire d'Afrique de l'Est, aurait ainsi accompagné les hommes dans leurs migrations d'Afrique de l'est vers l'Eurasie, entre et ans. La lèpre serait alors la plus vieille infection spécifiquement humaine. Le type 2 actuel en serait le plus proche, d'où auraient divergé les types 1 (asiatique) et 3 (européen).
Il apparait que la lèpre s'est introduite en Asie par deux routes différentes, la première par le sud : Indes, Indonésie et Philippines, l'autre par le nord : Turquie, Iran, Chine, Corée et Japon). À partir du Proche-Orient, la lèpre s'introduit en Europe, et de là en Afrique de l'ouest (type 4). L'Amérique est atteinte (type 3 et 4) avec l'arrivée des Européens, et le commerce des esclaves (Caraïbes et Brésil).