Un microbe méthanogène réassemble une voie métabolique pour se développer sur le sulfate

Marion Jespersen travaille sur un fermenteur dans lequel M. thermolithotrophicus se développe exclusivement sur sulfate comme source de soufre. [Tristan Wagner / Max Planck Institute for Marine Microbiology]

Le processus par lequel les plantes et les algues acquièrent du soufre - la conversion du sulfate en sulfure - nécessite beaucoup d'énergie et produit des intermédiaires et des sous-produits nocifs qui doivent être immédiatement transformés. Pour cette raison, on a émis l'hypothèse que les méthanogènes, qui manquent généralement d'énergie, sont incapables de convertir le sulfate en sulfure et doivent compter sur d'autres formes de soufre. Cependant, la découverte (vieille de plusieurs décennies) que le méthanogène Methanothermococcus thermolithotrophicus se développe sur le sulfate comme seule source de soufre a remis cela en question.

Maintenant, de nouvelles recherches révèlent comment M. thermolithotrophicus fait cela, compte tenu des coûts énergétiques et des intermédiaires toxiques, et pourquoi c'est le seul méthanogène connu qui a cette capacité.

Cette recherche est publiée dans Nature Microbiology dans l'article « Assimilatory sulfate-reduction in the marine methanogen Methanothermococcus thermolithotrophicus ».

"Quand j'ai commencé mon doctorat, j'ai vraiment dû convaincre M. thermolithotrophicus de manger du sulfate au lieu du sulfure", a déclaré Marion Jespersen, étudiante diplômée à l'Institut Max Planck de microbiologie marine. "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."

Pour comprendre les mécanismes moléculaires de l'assimilation des sulfates, les scientifiques ont identifié cinq gènes dans le génome de la bactérie qui avaient le potentiel de coder des enzymes associées à la réduction des sulfates.

En caractérisant les enzymes, 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 nouvelles.

"Nous avons été stupéfaits de voir qu'il semble que M. thermolithotrophicus ait détourné une enzyme d'un organisme sulfato-réducteur dissimilatoire et l'ait légèrement modifiée pour répondre à ses propres besoins", a déclaré 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", a expliqué Jespersen.

Les deux dernières enzymes de la voie sont conçues pour faire face à deux poisons générés lors de l'assimilation du sulfate. La première, 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.

"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", a déclaré Tristan Wagner, PhD, responsable du Groupe de recherche Max Planck Métabolisme microbien.

Les méthanogènes hydrogénotrophes, tels que M. thermolithotrophicus, ont la capacité de convertir le dihydrogène et le dioxyde de carbone en méthane. 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 les 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", a conclu Wagner.

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