Une respiration sur 10 contient de l’oxygène généré par le mécanisme cellulaire des algues microscopiques

Décrit comme “révolutionnaire” par une équipe de chercheurs de la Scripps Institution of Oceanography de l’UC San Diego, ce processus jusqu’alors inconnu représente entre 7% et 25% de tout l’oxygène produit et du carbone fixé dans l’océan. En considérant également la photosynthèse se produisant sur terre, les chercheurs ont estimé que ce mécanisme pourrait être responsable de la génération de jusqu’à 12% de l’oxygène sur l’ensemble de la planète.

Les scientifiques reconnaissent depuis longtemps l’importance du phytoplancton – des organismes microscopiques qui dérivent dans les environnements aquatiques – en raison de leur capacité à photosynthétiser. Ces minuscules algues océaniques forment la base du réseau trophique aquatique et on estime qu’elles produisent environ 50 % de l’oxygène sur Terre.

La nouvelle étude, publiée le 31 mai dans la revue Biologie actuelleidentifie comment une enzyme de pompage de protons (connue sous le nom de VHA) contribue à la production globale d’oxygène et à la fixation du carbone à partir du phytoplancton.

« Cette étude représente une percée dans notre compréhension du phytoplancton marin », a déclaré l’auteur principal Daniel Yee, qui a mené la recherche alors qu’il était doctorant à Scripps Oceanography et est actuellement chercheur postdoctoral conjoint au Laboratoire européen de biologie moléculaire et à l’Université de Grenoble Alpes. en France. “Au cours de millions d’années d’évolution, ces petites cellules de l’océan effectuent de minuscules réactions chimiques, notamment pour produire ce mécanisme qui améliore la photosynthèse, qui a façonné la trajectoire de la vie sur cette planète.”

Travaillant en étroite collaboration avec le physiologiste de Scripps Martín Tresguerres, l’un de ses co-conseillers, et d’autres collaborateurs de Scripps et du Lawrence Livermore National Laboratory, Yee a dévoilé le fonctionnement interne complexe d’un groupe spécifique de phytoplancton connu sous le nom de diatomées, qui sont des algues unicellulaires célèbres. pour leurs parois cellulaires ornementales en silice.

Comprendre l’enzyme “pompe à protons”

Des recherches antérieures au laboratoire de Tresguerres ont permis d’identifier comment le VHA est utilisé par divers organismes dans des processus essentiels à la vie dans les océans. Cette enzyme se trouve dans presque toutes les formes de vie, des humains aux algues unicellulaires, et son rôle fondamental est de modifier le niveau de pH du milieu environnant.

“Nous imaginons les protéines comme des blocs Lego”, a expliqué Tresguerres, co-auteur de l’étude. “Les protéines font toujours la même chose, mais selon les autres protéines auxquelles elles sont associées, elles peuvent remplir une fonction très différente.”

Chez l’homme, l’enzyme aide les reins à réguler les fonctions sanguines et urinaires. Les bénitiers utilisent l’enzyme pour dissoudre les récifs coralliens, où ils sécrètent un acide qui perce des trous dans le récif pour s’abriter. Les coraux utilisent l’enzyme pour favoriser la photosynthèse par leurs algues symbiotiques, tandis que les vers des grands fonds connus sous le nom de Osedax utilisez-le pour dissoudre les os des mammifères marins, comme les baleines, afin qu’ils puissent les consommer. L’enzyme est également présente dans les branchies des requins et des raies, où elle fait partie d’un mécanisme qui régule la chimie du sang. Et dans les yeux de poisson, la pompe à protons aide à fournir de l’oxygène qui améliore la vision.

En regardant cette recherche précédente, Yee s’est demandé comment l’enzyme VHA était utilisée dans le phytoplancton. Il a entrepris de répondre à cette question en combinant des techniques de microscopie de haute technologie dans le laboratoire de Tresguerres et des outils génétiques développés dans le laboratoire du regretté scientifique Scripps Mark Hildebrand, qui était un expert de premier plan sur les diatomées et l’un des co-conseillers de Yee.

À l’aide de ces outils, il a pu étiqueter la pompe à protons avec une étiquette verte fluorescente et la localiser avec précision autour des chloroplastes, appelés « organites » ou structures spécialisées dans les cellules de diatomées. Les chloroplastes des diatomées sont entourés d’une membrane supplémentaire par rapport aux autres algues, enveloppant l’espace où le dioxyde de carbone et l’énergie lumineuse sont convertis en composés organiques et libérés sous forme d’oxygène.

“Nous avons pu générer ces images qui montrent la protéine d’intérêt et où elle se trouve à l’intérieur d’une cellule avec de nombreuses membranes”, a déclaré Yee. “En combinaison avec des expériences détaillées pour quantifier la photosynthèse, nous avons découvert que cette protéine favorise en fait la photosynthèse en délivrant plus de dioxyde de carbone, ce que le chloroplaste utilise pour produire des molécules de carbone plus complexes, comme les sucres, tout en produisant plus d’oxygène en tant que sous-produit. produit.”

Connexion à l’évolution

Une fois le mécanisme sous-jacent établi, l’équipe a pu le relier à de multiples aspects de l’évolution. Les diatomées sont issues d’un événement symbiotique entre un protozoaire et une algue il y a environ 250 millions d’années qui a abouti à la fusion des deux organismes en un seul, connu sous le nom de symbiogenèse. Les auteurs soulignent que le processus d’une cellule en consommant une autre, connu sous le nom de phagocytose, est répandu dans la nature. La phagocytose repose sur la pompe à protons pour digérer la cellule qui agit comme source de nourriture. Cependant, dans le cas des diatomées, quelque chose de spécial s’est produit dans lequel la cellule qui a été mangée n’a pas été complètement digérée.

“Au lieu qu’une cellule digère l’autre, l’acidification entraînée par la pompe à protons du prédateur a fini par favoriser la photosynthèse par la proie ingérée”, a déclaré Tresguerres. “Au fil du temps de l’évolution, ces deux organismes distincts ont fusionné en un seul, pour ce que nous appelons maintenant les diatomées.”

Toutes les algues n’ont pas ce mécanisme, les auteurs pensent donc que cette pompe à protons a donné aux diatomées un avantage dans la photosynthèse. Ils notent également que lorsque les diatomées sont apparues il y a 250 millions d’années, il y avait une forte augmentation de l’oxygène dans l’atmosphère, et le mécanisme nouvellement découvert dans les algues pourrait avoir joué un rôle à cet égard.

On pense que la majorité des combustibles fossiles extraits du sol proviennent de la transformation de la biomasse qui a coulé au fond de l’océan, y compris les diatomées, pendant des millions d’années, entraînant la formation de réserves de pétrole. Les chercheurs espèrent que leur étude pourra inspirer des approches biotechnologiques pour améliorer la photosynthèse, la séquestration du carbone et la production de biodiesel. De plus, ils pensent que cela contribuera à une meilleure compréhension des cycles biogéochimiques mondiaux, des interactions écologiques et des impacts des fluctuations environnementales, telles que le changement climatique.

“Il s’agit de l’une des études les plus passionnantes dans le domaine de la symbiose au cours des dernières décennies et elle aura un impact important sur les recherches futures dans le monde entier”, a déclaré Tresguerres.

Les co-auteurs supplémentaires incluent Raffaela Abbriano, Bethany Shimasaki, Maria Vernet, Greg Mitchell et le regretté Mark Hildebrand de Scripps Oceanography; Ty Samo, Xavier Mayali et Peter Weber du Laboratoire national Lawrence Livermore ; et Johan Decelle de l’Université Grenoble Alpes.

Les auteurs n’ont reçu aucun financement pour cette étude. Les études doctorales de Yee à Scripps Oceanography ont été soutenues par la bourse Scripps, la bourse de formation des NIH et la bourse d’études supérieures Ralph Lewin. Les fonds de la dotation de recherche Arthur M. et Kate E. Tode de l’UC San Diego en sciences biologiques marines ont soutenu l’achat d’un microscope qui était essentiel pour la recherche.