Une nouvelle forme de vie qui mange de l’électricité
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Les scientifiques ont découvert comment des microbes peuvent extraire de l’énergie des roches. Et ces formes de vie sont bien plus répandues qu’on le pensait auparavant.
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Traduction d’un article de Quanta Magazine
L’année dernière, le biophysicien Moh El-Naggar et son étudiant diplômé Yamini Jangir ont plongé dans une ancienne mine d’or situé à Black Hills au Dakota du Sud. Aujourd’hui, cette ancienne mine abrite un détecteur de matière noire. Mais contrairement à d’autres scientifiques qui font une sorte de pèlerinage pour voir ce détecteur, El-Naggar et Jangir ne cherchaient pas des particules subatomiques, mais une nouvelle forme de vie.
Dans les ténèbres à environ 1,6 kilomètre de profondeur, les 2 chercheurs ont traversé le réseau de tunnels pour trouver un tuyau métallique rouillé. Ils ont siphonné l’eau de ce tuyau, l’ont déversé dans un récipient et ils ont ensuite inséré une série d’électrodes. Ils espéraient que le courant électrique allait attirer leur proie, un microbe méconnu qui vit grâce à de l’électricité pure.
Ces microbes, qui consomment de l’électricité, appartiennent à une grande famille d’organismes que les chercheurs commencent à peine à comprendre. Ces microbes habitent dans des mondes largement inconnus, les chaudrons bouillonnants des cheminées sous-marines, des veines riches en minerais dans les profondeurs de la terre ou dans les sédiments à quelques centimètres en dessous du plancher océanique. Ces microbes représentent un segment de la vie qu’on a largement ignoré parce que leur habitat étrange est très difficile à reproduire en laboratoire.
Mais des études préliminaires révèlent un trésor microbien. Une collecte récente de microbes sur le plancher océanique de l’île Catalina, au sud de Californie, a permis de découvrir une variété surprenante de microbes qui consomme des électrons en mangeant ou en aspirant des minerais et des métaux. L’équipe d’El-Naggar analyse encore les données de l’ancienne mine d’or, mais elle estime que les résultats correspondent avec ceux de l’île Catalina. Les scientifiques cherchent ces mangeurs d’électrons dans des lieux adaptés, des endroits avec beaucoup de minerais, mais très peu d’oxygène.
Et à mesure qu’on découvre de plus en plus de ces mangeurs d’électrons, les scientifiques commencent à comprendre leur fonctionnement. Comment un microbe consomme-t-il des électrons provenant de métaux ou les dépose dans l’environnement après avoir fini leur consommation ? Une étude publiée l’année dernière révèle la manière dont un de ces microbes attrape et consomment la fée électricité. Des travaux, qui ne sont pas encore publiés, suggèrent que certains mangeurs de métaux transportent les électrons directement à travers leurs membranes et c’est une caractéristique qu’on pensait impossible jusqu’à présent.
Les mangeurs de roche
Même si le fait de manger de l’électricité peut sembler étrange, le flux du courant est essentiel à la vie. Tous les organismes nécessitent une source d’électrons pour créer et stocker de l’énergie. Et les organismes doivent être capables de répandre les électrons à la fin du traitement. Pour décrire cette expression simpliste de la vie, Albert Szent-Györgyi, prix Nobel, avait déclaré : La vie n’est rien de plus qu’un électron qui cherche un endroit pour se reposer.
Les humains et de nombreux autres organismes obtiennent les électrons de la nourriture et ils les expulsent via la respiration. Les microbes qu’El-Naggar et les autres tentent de cultiver appartiennent à un groupe appelé lithoautotrophes signifiant littéralement des mangeurs de roche. Ces microbes récoltent l’énergie de substances non organiques telles que le fer, le souffre et le manganèse. Et sous certaines conditions, ils peuvent survivre uniquement grâce à l’électricité.
Et la capacité des microbes à ingérer des électrons, connus comme un transfert direct d’électrons, est particulièrement intrigante parce qu’elle défie les lois fondamentales de la biophysique. Les membranes graisseuses, qui recouvrent les cellules, agissent comme un isolant, en créant une zone électrique neutre qui est impossible à traverser par un électron. Personne ne voulait croire qu’une bactérie pouvait prendre un électron de l’intérieur d’une cellule et le déplacer à l’extérieur selon Kenneth Nealson, un géobiologiste de l’université de South California.
Le processus qui permet à des microbes de manger de l’électricité.
Dans les années 1980, Nealson et d’autres avaient découvert un groupe surprenant de bactéries qui pouvait expulser les électrons dans des matériaux solides tels que des minéraux. Il a fallu attendre 2006 pour découvrir le mécanisme moléculaire qui était dans les coulisses. Un trio de protéines spécialisées se situe dans la cellule de la membrane, en formant un pont conducteur qui transfère les électrons à l’extérieur de la cellule. Les scientifiques débattent toujours si les électrons traversent toute la membrane.
Et inspirés par ces donateurs d’électrons, les scientifiques se sont demandé si des microbes pouvaient faire l’inverse et ingérer directement des électrons comme une source d’énergie. Les chercheurs ont concentré leur analyse sur un groupe de microbes appelés méthanogènes qui sont connus pour fabriquer du méthane. La plupart des méthanogènes ne sont pas des mangeurs exclusifs de métaux. Mais en 2009, Bruce Logan, un ingénieur environnemental à la Pennsylvania State University et ses collaborateurs ont montré pour la première fois qu’un méthanogène pouvait survivre en utilisant uniquement l’énergie d’une électrode. Les chercheurs ont proposé que les microbes aspiraient directement des électrons, sans doute via un pont moléculaire similaire à celui que les producteurs d’électrons utilisent pour envoyer les électrons à travers le mur cellulaire. Mais il n’y avait pas de preuves directes.
Ensuite l’année dernière, Alfred Spormann, un microbiologiste de l’université de Stanford et ses collaborateurs ont percé un trou dans la théorie de Logan. Ils ont découvert une manière dont ces organismes peuvent survivre sur les électrodes sans manger les électrons. Le microbe que Spormann a étudié, le Methanococcus maripaludis, excrète un enzyme qui se situe sur la surface de l’électrode. L’enzyme connecte un électron de l’électrode avec un proton provenant de l’eau pour créer un atome d’hydrogène et c’est une caractéristique connue des méthanogènes. Plutôt que d’utiliser un trajet conducteur, ils utilisent une enzyme selon Daniel Bond, un microbiologiste de l’université du Minnesota. Ces microbes n’ont pas besoin de construire un pont de matériaux conducteurs.
Bien que les microbes ne mangent pas les électrons, les résultats restent surprenants. La plupart des enzymes fonctionnent mieux à l’intérieur de la cellule et se dégradent rapidement à l’extérieur. L’aspect unique est que l’enzyme reste stable quand elle se trouve sur la surface de l’électrode. Des expériences précédentes ont montré que ces enzymes sont actives à l’extérieur de la cellule pendant seulement quelques heures, mais nous avons démontré qu’elles restaient actives pendant 6 semaines selon Spormann.
Spormann et d’autres pensent néanmoins que les méthanogènes et d’autres microbes peuvent aspirer directement l’électricité. C’est un mécanisme alternatif du transfert direct d’électron, mais cela ne signifie pas que ce transfert direct n’existe pas selon Largus Angenent, un ingénieur environnemental à l’université de Cornell. Et Spormann a ajouté qu’il a découvert des microbes qui suçaient directement l’électricité, mais les travaux ne sont pas encore publiés.
Des microbes sur Mars
Actuellement, seuls 2 % des micro-organismes de la planète peuvent être cultivés en laboratoire. Les scientifiques estiment que ces nouvelles approches, cultiver des microbes dans les électrodes, vont permettre d’étudier des organismes qui étaient impossibles à analyser jusqu’à présent. L’utilisation des électrodes comme des intermédiaires pour les minéraux nous a permis d’étendre le champ de recherche selon Annette Rowe, une chercheuse post-doctorante qui travaille avec El-Naggar. Désormais, nous avons un moyen de cultiver la bactérie et vérifier sa respiration pour comprendre sa physiologie. Et Rowe a déjà rencontré quelques succès. En 2013, elle a prospecté des microbes dans des sédiments riches en fer sur l’île de Catalina. Elle a identifié au moins 30 nouvelles espèces de microbes électriques dans une étude publiée l’année dernière. Ce sont des espèces très variées qui sont fréquentes dans les systèmes marins selon Rowe. Avant son expérience, personne ne savait que ces microbes pouvaient prendre des électrons provenant de substrats non-organiques.
De la même manière que des pêcheurs utilisent différents appâts pour différents poissons, Rowe a configuré les électrodes dans différents voltages pour attirer le maximum de microbes. Elle savait lorsqu’elle avait une prise, car le courant change puisque les mangeurs de roche génèrent un courant négatif lorsqu’ils aspirent les électrons. Les différentes espèces de microbes collectés par Rowe ont nécessité des conditions électriques différentes. Cela suggère qu’ils utilisent différentes stratégies pour manger les électrons. Chaque bactérie possède un niveau d’énergie différent pour signaler l’absorption de l’électron selon Rowe.
Rowe cherche actuellement de nouveaux environnements pour d’autres microbes, se concentrant sur des fluides provenant de sites profonds qui ont une faible acidité. Elle aide également El-Naggar dans son expédition dans la mine d’or. Nous tentons de comprendre comment la vie fonctionne dans ces conditions et nous savons maintenant que la vie va beaucoup plus loin que tout que nous avions imaginé. Mais nous ignorons encore comment ces microbes survivent. El-Naggar estime que le champ de recherche est encore balbutiant le comparant aux premiers jours de la neuroscience où on stimulait les muscles de grenouilles avec des électrodes. Cela fait seulement 30 ans que nous avons découvert que les microbes peuvent interagir avec des surfaces solides.
Et en se basant sur les trésors de ces premières expériences, il semble que les scientifiques ont seulement gratté la surface de la diversité microbienne qui se cache sous la surface de la Terre. Et les résultats nous donneront des indices sur l’origine de la vie sur Terre et sur d’autres planètes. Une théorie pour l’émergence de la vie est qu’elle est apparue sur des surfaces minérales, qui ont concentré des molécules biologiques et catalysé les réactions. Et les microbes électriques pourraient remplir l’une des lacunes de la théorie puisqu’on observe un mécanisme qui transporte des électrons provenant de surfaces minérales dans des cellules.
De plus, les mangeurs de métaux en sous-surface pourraient aussi donner un schéma de la vie sur d’autres mondes. Dans ces derniers, des microbes aliens pourraient se cacher dans les profondeurs. Pour moi, l’une des possibilités les plus excitantes est de trouver des formes de vie qui pourraient survivre dans des environnements extrêmes comme sur la planète Mars selon El-Naggar dont la recherche dans la mine est financée par l’Astrobiology Institute de la NASA. La planète Mars est riche en fer et il y a de l’eau qui coule sous sa surface. Si vous avez un système qui prend des électrons du fer et un peu d’eau, alors vous avez tous les ingrédients pour un métabolisme. Dans le futur, il se pourrait qu’une ancienne mine d’or ne soit pas l’endroit le plus surprenant où on pourrait trouver de la vie qui mange de l’électron.
