Image de composition de diatomées, algues unicellulaires célèbres pour leurs parois cellulaires ornementales faites de silice. Crédit : Daniel Yee
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Une respiration sur dix contient de l’oxygène produit par le mécanisme cellulaire d’algues microscopiques.
Respirez profondément. Maintenant, prenez-en neuf autres. L’une des dix respirations que vous venez de prendre a été rendue possible grâce à un mécanisme cellulaire récemment découvert qui favorise la photosynthèse dans le phytoplancton marin, selon une étude récente.
Qualifié de « révolutionnaire » par une équipe de chercheurs de la Scripps Institution of Oceanography de l’université de San Diego, ce mécanisme jusqu’ici inconnu est responsable de 7 à 25 % de la production d’oxygène et de la fixation du carbone dans les océans. Si l’on tient compte de la photosynthèse sur terre, on estime que ce processus pourrait être responsable de la production de 12 % de l’oxygène total de la planète.
Les scientifiques reconnaissent depuis longtemps l’importance du phytoplancton – des organismes microscopiques qui dérivent dans les milieux aquatiques – en raison de leur capacité à réaliser la photosynthèse. Ces minuscules algues océaniques constituent la base du réseau alimentaire aquatique et on estime qu’elles produisent environ 50 % de l’oxygène sur Terre.
La nouvelle étude, publiée le 31 mai dans la revue Current Biology, montre comment une enzyme de pompage des protons (connue sous le nom de VHA) contribue à la production globale d’oxygène et à la fixation du carbone par le phytoplancton.
« Cette étude représente une percée dans notre compréhension du phytoplancton marin », a déclaré l’auteur principal, Daniel Yee, qui a mené les recherches alors qu’il était doctorant au Scripps Oceanography et qui est actuellement chercheur postdoctoral 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 ont réalisé de minuscules réactions chimiques, notamment pour produire ce mécanisme qui améliore la photosynthèse et qui a façonné la trajectoire de la vie sur cette planète.
En étroite collaboration avec Martín Tresguerres, physiologiste au Scripps et l’un de ses co-directeurs, ainsi qu’avec d’autres collaborateurs au Scripps et au Lawrence Livermore National Laboratory, Yee a élucidé le fonctionnement interne complexe d’un groupe spécifique de phytoplancton connu sous le nom de diatomées, des algues unicellulaires célèbres pour leurs parois cellulaires ornementales faites de silice.
Comprendre l’enzyme « pompe à protons
Des recherches antérieures menées dans le laboratoire de Tresguerres ont permis d’identifier la manière dont la VHA est utilisée par divers organismes dans le cadre de processus essentiels à la vie dans les océans. Cette enzyme est présente dans presque toutes les formes de vie, de l’homme à l’algue unicellulaire, et son rôle fondamental est de modifier le niveau de pH du milieu environnant.
« Nous imaginons les protéines comme des blocs de Lego », explique Tresguerres, coauteur de l’étude. « Les protéines font toujours la même chose, mais en fonction des autres protéines avec lesquelles elles sont associées, elles peuvent avoir une fonction très différente.
Chez l’homme, l’enzyme aide les reins à réguler les fonctions sanguines et urinaires. Les palourdes géantes utilisent l’enzyme pour dissoudre les récifs coralliens, où elles sécrètent un acide qui perce des trous dans le récif pour s’y abriter. Les coraux utilisent l’enzyme pour favoriser la photosynthèse de leurs algues symbiotiques, tandis que les vers des grands fonds connus sous le nom d’Osedax l’utilisent pour dissoudre les os des mammifères marins, tels que les baleines, afin de pouvoir 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. Dans les yeux des poissons, la pompe à protons aide à délivrer l’oxygène qui améliore la vision.
À la lumière de ces recherches antérieures, Yee s’est demandé comment l’enzyme VHA était utilisée dans le phytoplancton. Il a entrepris de répondre à cette question en combinant les techniques de microscopie de pointe du laboratoire de Tresguerres et les outils génétiques développés dans le laboratoire de feu Mark Hildebrand, scientifique du Scripps, qui était un grand spécialiste des diatomées et l’un des co-conseillers de Yee.
Grâce à ces outils, il a pu marquer la pompe à protons avec une étiquette verte fluorescente et la localiser avec précision autour des chloroplastes, qui sont connus comme des « organites » ou des structures spécialisées dans les cellules des 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 l’endroit où elle se trouve à l’intérieur d’une cellule dotée de nombreuses membranes », a déclaré M. Yee. « En combinaison avec des expériences détaillées visant à quantifier la photosynthèse, nous avons découvert que cette protéine favorise en fait la photosynthèse en fournissant plus de dioxyde de carbone, 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.
Lien avec l’évolution
Une fois le mécanisme sous-jacent établi, l’équipe a pu le relier à plusieurs 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, connue sous le nom de symbiogenèse. Les auteurs soulignent que le processus de consommation d’une cellule par une autre, appelé phagocytose, est très répandu dans la nature. La phagocytose s’appuie sur la pompe à protons pour digérer la cellule qui sert de source de nourriture. Toutefois, dans le cas des diatomées, un phénomène particulier s’est produit : la cellule consommée n’a pas été entièrement 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 de la proie ingérée », explique M. Tresguerres. « Au cours de l’évolution, ces deux organismes distincts ont fusionné pour former ce que nous appelons aujourd’hui les diatomées.
Toutes les algues ne possèdent pas ce mécanisme. Les auteurs pensent donc que cette pompe à protons a donné aux diatomées un avantage en matière de photosynthèse. Ils notent également que lorsque les diatomées sont apparues il y a 250 millions d’années, il y a eu une forte augmentation de l’oxygène dans l’atmosphère, et le mécanisme nouvellement découvert chez les algues pourrait avoir joué un rôle à cet égard.
La majorité des combustibles fossiles extraits du sol proviendraient de la transformation de la biomasse qui a coulé au fond des océans, y compris les diatomées, pendant des millions d’années, ce qui a entraîné la formation de réserves de pétrole. Les chercheurs espèrent que leur étude pourra inspirer des approches biotechnologiques visant à améliorer la photosynthèse, la séquestration du carbone et la production de biodiesel. En outre, ils pensent qu’elle contribuera à une meilleure compréhension des cycles biogéochimiques mondiaux, des interactions écologiques et de l’impact 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 M. Tresguerres.
Référence : « The V-type ATPase enhances photosynthesis in marine phytoplankton and further links phagocytosis to symbiogenesis » par Daniel P. Yee, Ty J. Samo, Raffaela M. Abbriano, Bethany Shimasaki, Maria Vernet, Xavier Mayali, Peter K. Weber, B. Greg Mitchell, Mark Hildebrand, Johan Decelle et Martin Tresguerres, 31 mai 2023, Current Biology.
DOI : 10.1016/j.cub.2023.05.020
Les autres coauteurs sont Raffaela Abbriano, Bethany Shimasaki, Maria Vernet, Greg Mitchell et feu Mark Hildebrand du Scripps Oceanography ; Ty Samo, Xavier Mayali et Peter Weber du Lawrence Livermore National Laboratory ; et Johan Decelle de l’Université de Grenoble Alpes.
Les auteurs n’ont reçu aucun financement pour cette étude. Les études doctorales de Yee à Scripps Oceanography ont été financées par la bourse Scripps, la bourse de formation NIH et la bourse Ralph Lewin Graduate Fellowship. Le fonds Arthur M. and Kate E. Tode Research Endowment in Marine Biological Sciences de l’université de San Diego a financé l’achat d’un microscope indispensable à la recherche.