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Comment les archées, la troisième forme de vie sur Terre, produisent de l'énergie

(photo : Un arbre phylogénétique à vraisemblance maximale non enraciné de la sous-unité catalytique (HydA) des hydrogénases [FeFe] et des hydrogénases hybrides. L'arbre a été construit sur la base de 3 677 séquences d'acides aminés en utilisant le modèle LG + C20 + R + F. Les nombres sur les branches indiquent les valeurs de support aLRT (test du rapport de vraisemblance approximatif) et bootstrap ultrarapide (entre parenthèses), chacune avec 1 000 répétitions. La barre d'échelle correspond au nombre de substitutions attendu par site. Les cercles colorés à l'extrémité indiquent des séquences d'eucaryotes et de groupes archéens majeurs. Toutes les autres séquences proviennent de bactéries)

Une équipe scientifique internationale a redéfini notre compréhension des archées, un ancêtre microbien de l'homme datant de deux milliards d'années, en montrant comment elles utilisent l'hydrogène gazeux.

Les résultats, publiés aujourd'hui dans Cell, expliquent comment ces minuscules formes de vie produisent de l'énergie en consommant et en produisant de l'hydrogène. Cette stratégie simple mais fiable leur a permis de prospérer dans certains des environnements les plus hostiles de la Terre depuis des milliards d'années.

L'article, dirigé par des scientifiques du Biomedicine Discovery Institute de l'Université Monash, dont le professeur Chris Greening, le professeur Jill Banfield et le Dr Bob Leung, réécrit le manuel de biologie fondamentale.

Le Dr Bob Leung a déclaré que cette découverte sur l'une des formes d'existence les plus anciennes de la Terre pourrait également aider à l'existence humaine, notamment en concevant de nouvelles façons d'utiliser l'hydrogène pour une future économie verte.

(Image : Résumé graphique évolutif)

" Les humains n’ont commencé que récemment à penser à l’utilisation de l’hydrogène comme source d’énergie, mais les archées le font depuis un milliard d’années. Les biotechnologues ont désormais la possibilité de s’inspirer de ces archées pour produire industriellement de l’hydrogène.

Tout en haut de la pyramide de la vie, il y a trois " domaines "de la vie : les eucaryotes (domaine des animaux,  plantes et champignons), les bactéries et les archées. Les archées sont des organismes unicellulaires qui peuvent vivre dans les environnements les plus extrêmes de la Terre. La théorie scientifique la plus largement acceptée suggère également que les eucaryotes, comme les humains, ont évolué à partir d’une très ancienne lignée d’archées fusionnant avec une cellule bactérienne par échange d’hydrogène gazeux.

"Notre découverte nous rapproche de la compréhension de la manière dont ce processus crucial a donné naissance à tous les eucaryotes, y compris les humains", explique Leung.

(image : description des nano-interactions à l'origine de la vie - Les hydrogénases [FeFe] et [NiFe] codées par les archées ont vraisemblablement formé des complexes uniques)  

L’équipe a analysé le génome de milliers d’archées à la recherche d’enzymes productrices d’hydrogène, puis a produit les enzymes en laboratoire pour étudier leurs caractéristiques. Ils ont découvert que certaines archées utilisent des types inhabituels d’enzymes appelées [FeFe]-hydrogénases.

Les archées qui produisent ces enzymes utilisant l'hydrogène ont été trouvées dans bon nombre des environnements les plus difficiles de la Terre, notamment les sources chaudes, les réservoirs de pétrole et les profondeurs des fonds marins.

On pensait jusque là que ces hydrogénases étaient limitées à seulement deux " domaines " de la vie : les eucaryotes et les bactéries. Ici, l’équipe a montré qu'on les trouve dans les archées pour la première fois et qu’elles sont remarquablement diverses dans leurs formes et leurs fonctions.

Non seulement les archées possèdent les plus petites enzymes utilisant l’hydrogène, mais elles possèdent également les enzymes les plus complexes qui usent de l’hydrogène, ce qui pourrait offrir des solutions rationalisées pour la production d’hydrogène biologique en milieu industriel.

Le professeur Chris Greening a déclaré que ces découvertes sur la manière dont les archées utilisent l'hydrogène ont des applications potentielles pour la transition vers une économie verte.

" L’industrie utilise actuellement de précieux catalyseurs chimiques pour utiliser l’hydrogène. Cependant, nous savons par la nature que le fonctionnement des catalyseurs biologiques peut être très efficace et résilient. Pouvons-nous les utiliser pour améliorer la façon dont nous utilisons l’hydrogène ? "

Avec leurs très anciennes origines et des applications potentielles en biotechnologie, les archées continuent de captiver les chercheurs et offrent des voies prometteuses pour de nouvelles découvertes et applications.

(Photo avec grande complexité de détails. La partie gauche de la figure montre un arbre phylogénomique de vraisemblance maximale (modèle LG + F + G4) basé sur les 15 protéines marqueurs ribosomiques concaténées des génomes archéens qui codent pour les hydrogénases [FeFe]. Les résultats sont présentés pour les 118 génomes (sur 130) qui sont complets à au moins 60 %, contaminés à moins de 5 % et contiennent au moins 75 % des 15 protéines synténiques. Les branches sont codées par couleur, codées en fonction du phylum respectif. Les cercles noirs indiquent des valeurs de support bootstrap supérieures à 80 %. La partie centrale montre la présence de gènes métaboliques clés (dans au moins un génome) impliqués dans différents processus métaboliques. Fixation du carbone : sous-unité bêta d'ATP-citrate lyase (AclB), sous-unité bêta d'acétyl-CoA synthase (AcsB), 4-hydroxybutyryl-CoA déshydratase/vinylacétyl-CoA-delta-isomérase (AbfD), monoxyde de carbone déshydrogénase/acétyl-CoA synthase ( CODH/ACS), sous-unité complexe delta (CdhD), sous-unité complexe CODH/ACS gamma (CdhE), sous-unité catalytique anaérobie CODH (CooS), ribulose-bisphosphate carboxylase de type II/III (RbcL II/II) et ribulose-bisphosphate de type III carboxylase (RbcL III); respiration : déshalogénase réductrice (RdhA), enzyme activatrice du formaldéhyde (Fae), sous-unité alpha du formate déshydrogénase (FdhA) et succinate déshydrogénase réversible et flavoprotéine fumarate réductase (SdhA/FrdA) ; Synthèse d'ATP : sous-unité alpha de l'ATP synthase (AtpA) et sous-unité bêta de l'ATP synthase (AtpB) ; fermentation : 2-oxoacide : ferrédoxine ou pyruvate : sous-unité alpha de ferrédoxine oxydoréductase (OorA/PorA), L-lactate déshydrogénase (Idh), acétyl-CoA synthétase formant l'ADP (AcdA), acétate kinase (Ack), phosphate acétyltransférase (Pta) , acétyl-CoA synthétase (Acs) et formiate C-acétyltransférase (PflD); dégradation des acides gras : acyl-CoA déshydrogénase (ACAD) ; dégradation des aromatiques : flavine prényltransférase (UbiX) ; métabolisme du soufre : soufre dioxygénase (Sdo), sulfate adenylyltransférase (Sat), adenylylsulfate kinase (CysC), sous-unité 1 de sulfate adenylyltransférase (CysN) et sous-unité A de sulfite réductase anaérobie (AsrA). La partie droite montre les divers environnements à partir desquels les génomes archéens ont été récupérés. Notez que le phylum QMZS01 a été classé comme Aenigmatarchaeota dans GTDB R06-RS207, tandis que la classe Thermoproteota EX4484-205 a été proposée comme Brockarchaeia. )

Les hydrogénases minimales et hybrides sont actives à partir des archées (Cell - accès libre).

Auteur: Cowing Keith

Info: Communiqué de presse, Université Monash, 12 juin 2024

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