L’endocytose bactérienne à économie d’énergie permet à ses eucaryotes hôtes unicellulaires de respirer des nitrates, indiquant que les eucaryotes unicellulaires peuvent acquérir une endosymbiose pour compléter ou remplacer les fonctions des organites mitochondriales.

Des chercheurs de Brême, ainsi que des collègues du Max Planck Genome Center de Cologne et de l’Eawag Aquatic Research Institute de Suisse, ont découvert une bactérie unique qui vit à l’intérieur des eucaryotes unicellulaires et les alimente. Contrairement aux mitochondries, cette soi-disant symbiose tire son énergie de la respiration des nitrates et non de l’oxygène. «Ce partenariat est complètement nouveau», déclare Jana Meluka, auteur principal chez Nature tempérée papier. “La coexistence de la respiration et du transfert d’énergie est sans précédent jusqu’à présent.”

En général, chez les eucaryotes, la symbiose est assez courante. Les hôtes eucaryotes coexistent souvent avec d’autres organismes, tels que des bactéries. Certaines bactéries vivent à l’intérieur des cellules ou des tissus de l’hôte et assurent certains services, tels que la défense ou la nutrition. En échange, l’hôte fournit un abri et des conditions de vie adéquats aux cohabitants. La symbiose entrante peut aller jusqu’à ce que les bactéries perdent leur capacité à survivre par elles-mêmes en dehors de leur hôte.

C’était également le cas de la coexistence que les scientifiques de Brême ont découverte dans le lac de Zoug en Suisse. «Notre découverte ouvre la possibilité que de simples eucaryotes unicellulaires, tels que des protistes, pourraient héberger une endocytose économe en énergie pour compléter ou même remplacer leurs fonctions mitochondriales», explique John Graff, premier auteur de l’étude. “Ce protozoaire a pu survivre sans oxygène en coopérant avec une endosymbiose capable de respirer avec des nitrates.” Le nom d’endosymbiose “Candidatus Azoamicus ciliaticola” reflète cela; L ‘«ami de l’azote» qui habite à l’intérieur des cils.

Candida Azoamicus ciliaticola

La figure est composée d’une image au microscope électronique à balayage (SEM, gris) et d’images de fluorescence. Visible est l’endosymbiose de “Candidatus Azoamicus ciliaticola” (visualisé par FISH en jaune) et les proies bactériennes dans les vacuoles alimentaires ainsi que les grands noyaux cellulaires (colorés par DAPI, en bleu). L’exosquelette des cils fluorescents faibles ainsi que des cils peut être vu. Crédit: Institut Max Planck de microbiologie marine, S.

Un partenariat intime se rapproche plus que jamais

Jusqu’à présent, on a supposé que les eucaryotes dans des environnements sans oxygène survivaient à la fermentation, car les mitochondries ont besoin d’oxygène pour générer de l’énergie. Le processus de fermentation est bien documenté et a été observé dans plusieurs entreprises anaérobies. Cependant, les micro-organismes ne peuvent pas extraire la même quantité d’énergie de la fermentation, et ils ne se développent généralement pas et ne se divisent pas aussi rapidement que leurs homologues aérobies.

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«Notre affilié a trouvé une solution», déclare Graff. “Il a ingéré une bactérie qui a la capacité de respirer des nitrates et de l’incorporer dans leurs cellules. Nous estimons que l’absorption a eu lieu il y a au moins 200 à 300 millions d’années.” Depuis, le développement a approfondi ce partenariat intime.

Évolution du décalage temporel

L’évolution des mitochondries s’est poursuivie de manière similaire. «Toutes les mitochondries ont une origine commune», explique Jana Meluka. On pense qu’il y a plus d’un milliard d’années, lorsque les ancêtres d’Arcturus ont balayé une bactérie, ces deux ont commencé une symbiose très importante: cet événement a marqué l’origine de la cellule eucaryote. Au fil du temps, les bactéries sont devenues plus intégrées dans la cellule, ce qui a progressivement réduit leur génome. Il n’est plus nécessaire de perdre la propriété et seuls les biens ayant bénéficié à l’hôte sont conservés. En fin de compte, les mitochondries telles que nous les connaissons aujourd’hui ont évolué. Ils ont leur petit génome ainsi qu’une membrane cellulaire, et on les trouve sous forme d’organites chez les eucaryotes. Dans le corps humain, par exemple, ils sont présents dans presque toutes les cellules et leur fournissent – et donc nous – de l’énergie.

«Notre endosymbiose est capable d’exécuter de nombreuses fonctions mitochondriales, bien qu’elle ne partage pas une ascendance évolutive commune avec les mitochondries», explique Meluca. “Il est tentant de spéculer qu’un symbiote peut suivre la même voie que les mitochondries, et éventuellement devenir un organite.”

Rencontre par hasard

Il est vraiment surprenant que cette symbiose soit restée si longtemps inconnue. Les mitochondries fonctionnent bien avec l’oxygène – alors pourquoi n’y a-t-il pas d’équivalent nitrate? Une réponse possible est que personne n’était au courant de cette possibilité et donc personne ne la recherchait. L’étude de l’endosymbiose est difficile, car la plupart des micro-organismes symbiotiques ne peuvent pas être cultivés en laboratoire. Cependant, les développements récents des analyses métagénomiques nous ont permis de mieux comprendre les interactions complexes entre les hôtes et les symbiotes. Lors de l’analyse des métagénomes, les scientifiques examinent tous les gènes de l’échantillon. Cette approche est souvent utilisée pour les échantillons environnementaux car les gènes de l’échantillon ne peuvent pas être automatiquement attribués aux organismes présents. Cela signifie que les scientifiques recherchent généralement des séquences génétiques spécifiques pertinentes pour leur question de recherche. Les métagénomes contiennent souvent des millions de séquences génétiques différentes et il est parfaitement normal qu’une petite fraction d’entre elles soit analysée en détail.

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À l’origine, les scientifiques de Brême cherchaient également autre chose. Le groupe de recherche sur les gaz à effet de serre de l’Institut Max Planck de microbiologie marine étudie les micro-organismes impliqués dans le métabolisme du méthane. Pour cela, ils étudiaient les couches profondes du lac de Zoug. Le lac est très stratifié, ce qui signifie qu’il n’y a pas d’échange vertical d’eau. Ainsi, les couches profondes du lac de Zoug n’entrent pas en contact avec les eaux de surface et sont largement isolées. C’est pourquoi il ne contient pas d’oxygène mais est riche en méthane et en composés azotés, comme les nitrates. Lors de la recherche de bactéries à mâcher du méthane avec des gènes de conversion de l’azote, Graf a rencontré une séquence génétique étonnamment petite codant pour l’ensemble de la voie métabolique de la respiration des nitrates. «Nous avons tous été stupéfaits de ce résultat et j’ai commencé une comparaison ADN Avec des séquences de gènes similaires dans une base de données, “dit Graff. Mais le seul ADN identique appartient aux symbiotes qui vivent dans les pucerons et autres insectes.” Cela n’a pas de sens. Comment les insectes entreront-ils dans ces eaux profondes? Pourquoi? “Se souvient Graf. Les scientifiques du groupe de recherche ont commencé à deviner les jeux et les paris.

Il n’est pas seul dans le lac sombre

Au final, une pensée a prévalu: le génome doit appartenir à une endosymbiose anonyme. Pour vérifier cette théorie, les membres de l’équipe de recherche ont effectué plusieurs expéditions au lac de Zoug en Suisse. Avec l’aide du partenaire de collaboration local Eawag, ils ont collecté des échantillons pour rechercher spécifiquement l’organisme qui contenait cette symbiose interne unique. En laboratoire, les scientifiques ont extrait de nombreux eucaryotes d’échantillons d’eau à l’aide d’une pipette. Enfin, en utilisant le marqueur de gène, il a été possible de visualiser une endosymbiose et d’identifier son hôte principal.

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Un dernier vol un an auparavant était censé apporter la certitude finale. C’était une tâche difficile en plein hiver. Le temps orageux, le brouillard dense et la pression du temps dus aux premières nouvelles du Coronavirus, ainsi que l’éventuel verrouillage ont rendu la recherche du grand lac encore plus difficile. Néanmoins, les scientifiques ont réussi à extraire plusieurs échantillons des eaux profondes et à les amener à Brême. Ces échantillons leur ont fourni la confirmation finale de leur théorie. «C’est agréable de savoir qu’ils sont là-bas ensemble», déclare Jana Milucka. Habituellement, ces géants mangent des bactéries. Mais cela l’a laissé vivant et partagé avec lui. “

Beaucoup de nouvelles questions

Cette découverte soulève de nombreuses questions nouvelles et passionnantes. Existe-t-il des symbiotes similaires qui existent depuis le plus longtemps et où l’endosymbiose a en fait franchi les limites d’un organite? Si cette symbiose existe pour la respiration des nitrates, est-elle également présente pour d’autres composés? Comment cette symbiose, qui existait il y a 200 à 300 millions d’années, s’est-elle terminée dans un lac post-glaciaire dans les Alpes qui s’est formé il y a seulement 10 000 ans? De plus: «Maintenant que nous savons ce que nous recherchons, nous avons trouvé des séquences génétiques endogènes pour la symbiose partout dans le monde», explique Meluka. En France, ainsi qu’à Taiwan, ou dans les lacs d’Afrique de l’Est qui sont en partie beaucoup plus anciens que le lac de Zoug. L’origine de cette coexistence est-elle dans l’un d’entre eux? Ou a-t-il commencé dans l’océan? Telles sont les questions que le groupe de recherche souhaite étudier ensuite.

Référence: 3 mars 2021, Nature tempérée.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03297-6