Un étrange microbe «respire» les nitrates en utilisant un symbiote de type mitochondrial

Nager dans les profondeurs du lac de Zoug, en Suisse, est un micro-organisme qui a développé une étrange façon de « respirer ». Une équipe de chercheurs a découvert un nouveau partenariat entre un eucaryote unicellulaire – un organisme avec un noyau clairement défini et portant son propre génome – et des bactéries qui génèrent de l’énergie pour leur hôte. Mais au lieu d’utiliser de l’oxygène pour ce faire, il utilise des nitrates.

« C’est très étrange, » [newly discovered] Jana Meluka, biologiste au Max Planck Genome Center à Cologne et auteur principal de l’article qui en résulte, qui a été publié dans Nature tempérée Début mars.

L’équipe a nommé la bactérie Candida Azoamicus ciliaticola, Et cela signifie «l’ami de l’azote qui vit à l’intérieur du ciliaire». Son partenaire, cilié, est un micro-organisme qui se déplace à l’aide de cils, de minuscules protubérances en forme de poils à l’extérieur de ses parois cellulaires. L’organisme hôte fait partie d’un groupe de géants appelé Plagiopylea.

Créer un partenariat

En 2016, le chercheur s’est rendu au lac de Zoug à la recherche de génétique. Milucca et ses pairs étudient le plan d’eau depuis près d’une décennie. Il est complètement stratifié, avec une couche d’eau oxygénée sur le dessus, puis une couche d’eau sans oxygène près du fond. En tant que tels, les organismes qui prospèrent dans les profondeurs ont dû évoluer pour vivre sans oxygène.

L’équipe a abaissé une bouteille d’échantillon à environ 190 mètres, puis a séquencé l’ADN de tous les organismes de l’échantillon. Ils ont trouvé un génome bactérien contenant une voie métabolique complète pour la respiration des nitrates. Mais le génome était petit et manquait de gènes suffisants pour indiquer qu’il appartenait à un organisme qui devait être transporté sur un autre pour survivre. Le génome était de taille similaire aux génomes des microorganismes symbiotiques trouvés dans les corps d’insectes et présentait de nombreuses similitudes génétiques.

Mais les insectes ne peuvent pas survivre dans les parties les plus profondes des lacs, cela n’a donc pas expliqué l’existence de ce génome. Si les bactéries vivaient dans un autre organisme, la question évidente était « laquelle d’entre elles? » Les chercheurs ont commencé à examiner l’eau et ont trouvé un candidat possible: les cils en question. Juste avant le verrouillage du COVID-19 et la fermeture de la frontière en février 2020, l’équipe est retournée au lac pour la dernière fois pour collecter un échantillon à tester, ce qui a confirmé ses conclusions.

Milucka a déclaré que dans le corps des eucaryotes, les bactéries agissent de la même manière que les mitochondries dans d’autres cellules – sauf qu’au lieu d’utiliser de l’oxygène, elles utilisent des nitrates pour générer de l’ATP pour leur hôte.

La symbiose entre les eucaryotes et les bactéries est courante. Mais le partenariat décrit par Miluka et son équipe est distinct à plusieurs égards. Premièrement, les bactéries ont évolué aux côtés de leur hôte suffisamment longtemps pour ne plus pouvoir vivre séparément – ce n’est pas totalement inconnu, mais c’est rare. Il est également rare que les bactéries fournissent de l’ATP directement à leur hôte. Enfin, il n’y a aucune preuve d’un partenariat entre les eucaryotes et les bactéries nitrate-dépendantes dans lequel la capacité d’utiliser l’oxygène a été complètement perdue.

«Il n’y a en fait aucun exemple similaire parmi les cohabitants intérieurs que nous connaissons aujourd’hui», a déclaré Meluka.

Force de bouger

Les eucaryotes coulent vers leurs cils. Cela leur permet de chasser les eucaryotes et d’autres bactéries, mais cela augmente leurs besoins énergétiques dans un écosystème sans oxygène, faisant de la respiration des nitrates une adaptation idéale. « Ça bouge. C’est en fait très rapide », a déclaré Miluka. « C’est comme un missile. »

L’équipe soupçonne que les bactéries ont peut-être eu la capacité d’utiliser de l’oxygène quelque part dans le passé, mais qu’elles auraient pu le perdre parce qu’elles se sont adaptées à la vie dans un environnement sans oxygène. Au lieu de cela, il aurait pu perdre le gène simplement par accident. « Nous ne savons pas vraiment si c’était exprès ou s’il a perdu le gène par accident », a-t-elle déclaré.

Cependant, l’équipe a utilisé l’analyse de l’ADN et des comparaisons avec des séquences de gènes similaires pour estimer que le partenariat entre les micro-organismes a commencé il y a 200 à 300 millions d’années et s’est beaucoup approfondi depuis. Mais cela soulève des questions dans l’affaire Candida Azoamicus ciliaticola Et son hôte, car le lac de Zoug s’est formé il y a seulement environ 10 000 ans, lors de la dernière période glaciaire.

Compte tenu de la durée du partenariat entre les micro-organismes, a déclaré Meluka, il est peu probable qu’il ait commencé dans le lac. L’équipe a examiné pour voir si des gènes semblables à des bactéries sont présents et a constaté que les séquences les plus proches se trouvent également dans les lacs stratifiés tels que le lac de Zoug. Par conséquent, il est possible que l’adaptation provienne de lacs similaires, bien que l’océan soit une autre option. « Il semble y avoir au moins un schéma selon lequel les séquences relatives les plus proches se trouvent dans des environnements très similaires », a-t-elle déclaré.

Les résultats ont des implications bien au-delà de l’étrangeté du papier de tout. L’endocytose est la principale explication de la façon dont les cellules ont obtenu à l’origine leurs mitochondries. Il y a des milliards d’années –1,45 milliard, selon certaines sourcesLes formes de vie unicellulaires ont dévoré les bactéries, qui à leur tour ont commencé à leur fournir de l’énergie. Finalement, les bactéries sont devenues une partie des cellules.

Ce partenariat entre les créatures du lac de Zoug est relativement récent. Selon Meluka, cette découverte pourrait donner un aperçu de la formation des mitochondries dans le passé, car elle pourrait à certains égards ressembler à un moment précoce du processus.

Cette recherche est l’un des premiers exemples d’endosymbiose en cours de transformation en organite qui génère de l’énergie pour son hôte, a déclaré Michael Gray, professeur émérite au Département de biochimie et de biologie moléculaire de l’Université Dalhousie en Nouvelle-Écosse. Selon Gray, qui a beaucoup écrit sur la symbiose endogène, il a été très difficile historiquement de comprendre comment les mitochondries se forment, simplement parce que cela s’est produit il y a si longtemps. En tant que tel, Candida Azoamicus ciliaticola Et sa société ciliée fournit un exemple relativement récent de la façon dont cela pourrait se produire.

De plus, la compréhension du processus de coexistence intérieure est fondamentale pour comprendre les origines complexes de la vie. «C’est un exemple de découverte accidentelle qui nous a ouvert un peu plus les yeux sur ce que la biologie pouvait faire», a-t-il déclaré.

Nature tempéréeDOI: 2021. 10.1038 / s41586-021-03297-6 (À propos des DOI).

Doug Johnson (Intégrer un TweetIl est journaliste canadien indépendant. Ses œuvres ont été présentées dans National Geographic, Undark, Hakai, entre autres.