Comment un microbe crée sa propre machinerie de réduction des sulfates

5 juin 2023

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par Max Planck Society

Des scientifiques de l'Institut Max Planck de microbiologie marine de Brême, en Allemagne, ont découvert les secrets moléculaires d'un microbe générateur de méthane qui peut transformer le sulfate en sulfure, un bloc de construction cellulaire prêt à l'emploi. Cette découverte ouvre des opportunités passionnantes dans la production de biocarburants.

Le soufre est un élément fondamental de la vie et tous les organismes en ont besoin pour synthétiser les matériaux cellulaires. Les autotrophes, comme les plantes et les algues, acquièrent du soufre en convertissant le sulfate en sulfure, qui peut être incorporé dans la biomasse. Cependant, ce processus nécessite beaucoup d'énergie et produit des intermédiaires et des sous-produits nocifs qui doivent être immédiatement transformés.

En conséquence, on croyait auparavant que les microbes connus sous le nom de méthanogènes, qui manquent généralement d'énergie, seraient incapables de convertir le sulfate en sulfure. Par conséquent, on a supposé que ces microbes, qui produisent la moitié du méthane mondial, dépendent d'autres formes de soufre, comme le sulfure.

Ce dogme a été brisé en 1986 avec la découverte du méthanogène, Methanothermococcus thermolithotrophicus, poussant sur sulfate comme seule source de soufre. Comment est-ce possible, compte tenu des coûts énergétiques et des intermédiaires toxiques ? Pourquoi est-ce le seul méthanogène qui semble capable de se développer sur cette espèce soufrée ? Cet organisme utilise-t-il des astuces chimiques ou une stratégie encore inconnue pour permettre l'assimilation des sulfates ? Marion Jespersen et Tristan Wagner de l'Institut Max Planck de microbiologie marine ont maintenant trouvé des réponses à ces questions et les ont publiées dans la revue Nature Microbiology.

Le premier défi que les chercheurs ont relevé a été de faire pousser le microbe sur la nouvelle source de soufre. "Quand j'ai commencé mon doctorat, j'ai vraiment dû convaincre M. thermolithotrophicus de manger du sulfate au lieu du sulfure", explique Marion Jespersen. "Mais après avoir optimisé le milieu, Methanothermococcus est devenu un pro de la culture sur sulfate, avec des densités cellulaires comparables à celles de la culture sur sulfure."

"Les choses sont devenues vraiment excitantes lorsque nous avons mesuré la disparition du sulfate au fur et à mesure que l'organisme grandissait. C'est à ce moment-là que nous avons vraiment pu prouver que le méthanogène convertit ce substrat." Cela a permis aux chercheurs de cultiver en toute sécurité M. thermolithotrophicus dans des bioréacteurs à grande échelle, car ils ne dépendaient plus du sulfure d'hydrogène gazeux toxique et explosif pour leur croissance. "Cela nous a fourni suffisamment de biomasse pour étudier cet organisme fascinant", explique Jespersen. Maintenant, les chercheurs étaient prêts à creuser dans les détails des processus sous-jacents.

Pour comprendre les mécanismes moléculaires de l'assimilation des sulfates, les scientifiques ont analysé le génome de M. thermolithotrophicus. Ils ont trouvé cinq gènes qui avaient le potentiel de coder des enzymes associées à la réduction des sulfates. "Nous avons réussi à caractériser chacune de ces enzymes et avons donc exploré la voie complète. Un véritable tour de force quand on pense à sa complexité", déclare Tristan Wagner, responsable du groupe de recherche Max Planck sur le métabolisme microbien.

En caractérisant les enzymes une par une, les scientifiques ont assemblé la première voie d'assimilation des sulfates à partir d'un méthanogène. Alors que les deux premières enzymes de la voie sont bien connues et présentes dans de nombreux microbes et plantes, les enzymes suivantes étaient d'un nouveau type. "Nous avons été stupéfaits de voir qu'il semble que M. thermolithotrophicus ait détourné une enzyme d'un organisme sulfato-réducteur dissimilateur et l'ait légèrement modifiée pour répondre à ses propres besoins", déclare Jespersen.

Alors que certains microbes assimilent le sulfate en tant que bloc de construction cellulaire, d'autres l'utilisent pour obtenir de l'énergie dans un processus de dissimilation, comme le font les humains lorsqu'ils respirent de l'oxygène. Les microbes qui effectuent une réduction dissimilatoire des sulfates utilisent un ensemble différent d'enzymes pour le faire. Le méthanogène étudié ici a converti l'une de ces enzymes dissimilatrices en une enzyme assimilatrice. "Une stratégie simple mais très efficace et très probablement la raison pour laquelle ce méthanogène est capable de se développer sur du sulfate. Jusqu'à présent, cette enzyme particulière n'a été trouvée que chez M. thermolithotrophicus et aucun autre méthanogène", explique Jespersen.

Cependant, M. thermolithotrophicus doit également faire face à deux poisons générés lors de l'assimilation du sulfate. C'est à cela que servent les deux dernières enzymes de la voie : la première, encore une fois semblable à une enzyme dissimilatrice, génère du sulfure à partir du sulfite. Le second est un nouveau type de phosphatase avec une efficacité robuste pour hydrolyser l'autre poison, bientôt connu sous le nom de PAP.

"Il semble que M. thermolithotrophicus ait collecté des informations génétiques de son environnement microbien qui lui ont permis de se développer sur du sulfate. En mélangeant et en associant des enzymes assimilatrices et dissimilatrices, il a créé sa propre machinerie fonctionnelle de réduction des sulfates", explique Wagner.

Les méthanogènes hydrogénotrophes, comme M. thermolithotrophicus, ont l'étonnante capacité de convertir le dihydrogène (H2, par exemple produit artificiellement à partir d'énergies renouvelables) et le dioxyde de carbone (CO2) en méthane (CH4). En d'autres termes, ils peuvent convertir le gaz à effet de serre CO2 en biocarburant CH4, qui peut être utilisé, par exemple, pour chauffer nos maisons.

Pour ce faire, les méthanogènes sont cultivés dans de grands bioréacteurs. Un goulot d'étranglement actuel dans la culture des méthanogènes est leur besoin de sulfure d'hydrogène gazeux hautement dangereux et explosif comme source de soufre. Avec la découverte de la voie d'assimilation des sulfates chez M. thermolithotrophicus, il est possible de modifier génétiquement des méthanogènes déjà utilisés en biotechnologie pour utiliser cette voie à la place, ce qui conduit à une production de biogaz plus sûre et plus rentable.

"Une question brûlante non résolue est de savoir pourquoi M. thermolithotrophicus assimilerait le sulfate dans la nature. Pour cela, nous devrons aller sur le terrain et voir si les enzymes nécessaires à cette voie sont également exprimées dans l'environnement naturel du microbe", conclut Wagner.

Plus d'information: Sulfato-réduction assimilatrice chez le méthanogène marin Methanothermococcus thermolithotrophicus, Nature Microbiology (2023). DOI : 10.1038/s41564-023-01398-8

Informations sur la revue :Microbiologie naturelle

Fourni par la société Max Planck