Riftia pachiyptila. Crédit photo : Peter Girguis
Recherche sur le ver tubicole des sources chaudes des grands fonds Riftia pachyptila montre comment ses bactéries symbiotiques utilisent deux voies de fixation du carbone pour s'adapter aux conditions des grands fonds marins, suggérant un potentiel d'applications biotechnologiques dans la capture du carbone.
Le ver tubicole géant des sources hydrothermales Riftia pachyptila vit dans l'environnement hostile des profondeurs marines de la dorsale Est du Pacifique, où la lumière du soleil ne pénètre pas et où les environs sont connus pour leurs températures extrêmes, leurs pressions écrasantes et leurs composés toxiques. Pouvant atteindre jusqu'à 1,80 m de haut avec un panache rouge foncé, Riftia Le ver tubicole ne possède pas de système digestif mais se nourrit de sa relation symbiotique avec des bactéries qui vivent au plus profond de son corps. Ces milliards de bactéries fixent le dioxyde de carbone aux sucres pour subvenir à leurs besoins et à ceux du ver tubicole.
Alors que la plupart des organismes autotrophes se maintiennent en utilisant une seule voie de fixation du carbone, Riftia Les endosymbiotes chimioautotrophes possèdent deux voies fonctionnelles de fixation du carbone : la voie de Calvin-Benson-Bassham (CBB) et la voie tricarboxylique réductrice acide (rTCA) cycles. Beaucoup de choses sur ces voies sont restées un mystère pour les scientifiques, qui avaient une compréhension limitée de leurs activités et de leurs intégrations avec d'autres processus métaboliques.
Découvertes de la recherche sur les voies de fixation du carbone
Des chercheurs du département de biologie organique et évolutive de Harvard ont découvert de nouvelles informations sur la coordination de ces deux voies, révélant une adaptation sophistiquée qui permet à ces symbiotes de prospérer dans des conditions difficiles de sources hydrothermales.
Dans leur étude, récemment publiée dans Microbiologie de la natureles chercheurs ont collecté des vers tubicoles de la dorsale Est du Pacifique pour étudier la régulation et la coordination des deux voies fonctionnelles. En incubant les vers tubicoles dans des conditions imitant leur environnement naturel – y compris une pression de 3 000 PSI et des niveaux de soufre presque toxiques – les chercheurs ont pu mesurer les taux nets de fixation du carbone et examiner les réponses transcriptionnelles et métaboliques.
« Ce travail est un véritable tour de force, car il est passé de l’étude des organismes vivants à la mesure de leur taux métabolique, en passant directement à des transcriptions, ce qui a permis à l’équipe de recherche de montrer que les voies sont très probablement parcourues en parallèle », a déclaré le co-auteur principal Peter Girguis, professeur de biologie des organismes et de l’évolution. « Le travail montre que les voies doubles sont biaisées par les conditions environnementales et qu’il existe d’autres systèmes métaboliques en orbite autour de chacune de ces deux voies. »
La recherche a été menée par des membres du laboratoire de Girguis, dont Mitchell et Jennifer Delaney, ainsi qu'Adam Freedman du Harvard Informatics Group.
Analyse de réseau et connaissances métaboliques
La fixation du carbone est le processus de conversion du dioxyde de carbone en sucres, et c'est le principal processus qui assure le fonctionnement de notre biosphère. En fonction de l'environnement, notamment des sources d'énergie et de carbone disponibles, les organismes ont développé différentes stratégies métaboliques. Les organismes photosynthétiques, comme les plantes, utilisent la lumière du soleil pour fournir l'énergie nécessaire à la conversion du dioxyde de carbone et de l'eau en glucose et en oxygène. Dans les profondeurs marines, hors de portée de la lumière du soleil mais où l'eau surchauffée par les volcans jaillit par les cheminées hydrothermales, Riftia pachyptila Les symbiotes chimioautotrophes utilisent l'énergie du sulfure d'hydrogène pour fixer le carbone qui alimente le métabolisme et la croissance des vers. En faisant varier soigneusement les conditions expérimentales pour Riftial’équipe a pu identifier comment les changements environnementaux dans la chimie influencent la façon dont leurs deux voies de carbone sont coordonnées.
« Il s’agit de l’analyse la plus approfondie d’une bactérie possédant deux voies de fixation du carbone, la rTCA et la CBB », a déclaré Jessica Mitchell, auteure principale et chercheuse postdoctorale. « Il s’agit également de la première analyse de réseau réalisée sur une symbiose de source hydrothermale et de la première analyse de réseau réalisée sur un système à double voie de fixation du carbone. »
L’analyse du réseau a permis à l’équipe de repérer des modèles dans les données d’expression génétique et de fournir une vue d’ensemble du système. L’analyse a permis d’identifier des gènes centraux métaboliques qui jouent un rôle essentiel dans le maintien et la régulation du réseau complexe de réactions métaboliques au sein des cellules.
Rôles distinctifs dans la fonction métabolique
L'équipe a découvert que les schémas transcriptionnels des cycles rTCA et CBB variaient considérablement en réponse à différents régimes géochimiques. Chaque voie s'est avérée associée à des processus métaboliques spécifiques. Le cycle rTCA est lié aux hydrogénases et à la réduction dissimilatoire des nitrates. Ces enzymes sont essentielles au traitement de l'hydrogène et des nitrates en l'absence d'oxygène, ce qui suggère que le cycle rTCA joue un rôle clé dans des conditions de faible énergie.
En revanche, le cycle CBB est associé à l'oxydation des sulfures et à la réduction assimilatrice des nitrates. L'oxydation des sulfures est un processus vital dans l'environnement chimiquement riche des sources hydrothermales, où les sulfures sont abondants. En reliant le cycle CBB à l'oxydation des sulfures, les symbiotes peuvent utiliser efficacement l'énergie chimique disponible dans leur environnement pour fixer le carbone.
Voies complémentaires et adaptations environnementales
L’une des découvertes les plus intéressantes de l’étude est la nature complémentaire de ces deux voies. Le cycle rTCA semble être particulièrement important dans des conditions où le sulfure et l’oxygène sont limités. Cela a été mis en évidence par l’identification d’une hydrogénase du groupe 1e qui, avec le cycle rTCA, joue un rôle crucial dans la réponse physiologique à de telles limitations. Cette flexibilité confère un avantage significatif, permettant aux vers tubicoles de prospérer dans les conditions très variables des sources hydrothermales.
Les taux nets de fixation du carbone mesurés au cours de l’étude étaient exceptionnellement élevés, ce qui a permis la croissance et la survie rapides de Riftia pachyptila dans leur environnement. Les deux voies de fixation du carbone – chacune optimisée pour différentes conditions environnementales – peuvent permettre aux symbiotes de maintenir la stabilité métabolique lors des changements environnementaux.
Implications et recherches futures
L'analyse de ces voies de fixation du carbone double et leur régulation coordonnée dans Riftia ouvre de nouvelles perspectives de recherche dans le domaine de la capture biologique du carbone ainsi que de la biochimie fondamentale. Ces connaissances pourraient avoir des applications pratiques en biotechnologie, où les principes de ces voies pourraient être exploités pour développer des systèmes plus efficaces de fixation du carbone. De plus, la compréhension de la façon dont ces voies sont régulées pourrait fournir des informations sur l'évolution de la diversité métabolique et de l'adaptation dans des environnements extrêmes.
« Cette étude ouvre véritablement la voie à de futures études et à la compréhension de la manière dont ces doubles voies permettent à cet organisme de fixer cette quantité de carbone », a déclaré Mitchell.