Des scientifiques découvrent le premier organite fixateur d’azote

Les manuels de biologie modernes affirment que seules les bactéries peuvent extraire l’azote de l’atmosphère et le transformer en une forme utilisable pour la vie. Les plantes qui fixent l’azote, comme les légumineuses, le font en hébergeant des bactéries symbiotiques dans les nodules racinaires. Mais une découverte récente bouleverse cette règle.

Dans deux articles récents, une équipe internationale de scientifiques décrit le premier organite connu fixant l’azote dans une cellule eucaryote. L’organite est le quatrième exemple dans l’histoire de l’endosymbiose primaire, le processus par lequel une cellule procaryote est engloutie par une cellule eucaryote et évolue au-delà de la symbiose pour devenir un organite.

« Il est très rare que des organites résultent de ce genre de choses », a déclaré Tyler Coale, chercheur postdoctoral à l’UC Santa Cruz et premier auteur de l’un des deux articles récents. « La première fois que nous avons pensé que cela s’est produit, cela a donné naissance à toute vie complexe. Tout ce qui est plus compliqué qu’une cellule bactérienne doit son existence à cet événement », a-t-il déclaré, faisant référence aux origines des mitochondries. « Il y a environ un milliard d’années, cela s’est reproduit avec le chloroplaste, et cela nous a donné des plantes », a déclaré Coale.

Le troisième cas connu implique un microbe semblable à un chloroplaste. La découverte la plus récente est le premier exemple d’un organite fixateur d’azote, que les chercheurs appellent un nitroplaste.

Un mystère qui dure depuis des décennies

La découverte de l’organite a nécessité un peu de chance et des décennies de travail. En 1998, Jonathan Zehr, professeur distingué de sciences marines à l’Université de Santa Cruz, a découvert une courte séquence d’ADN de ce qui semblait provenir d’une cyanobactérie fixatrice d’azote inconnue dans l’eau de mer de l’océan Pacifique. Zehr et ses collègues ont passé des années à étudier cet organisme mystérieux, qu’ils ont appelé UCYN-A.

Au même moment, Kyoko Hagino, paléontologue à l’université de Kochi au Japon, essayait minutieusement de cultiver une algue marine. Il s’est avéré qu’il s’agissait de l’organisme hôte de l’UCYN-A. Il lui a fallu plus de 300 expéditions d’échantillonnage et plus d’une décennie, mais Hagino a finalement réussi à cultiver l’algue, permettant à d’autres chercheurs de commencer à étudier ensemble l’UCYN-A et son hôte algue marine en laboratoire.

Pendant des années, les scientifiques ont considéré UCYN-A comme un endosymbionte étroitement associé à une algue. Mais les deux articles récents suggèrent que UCYN-A a co-évolué avec son hôte en symbiose et répond désormais aux critères d’un organite.

Origines des organites

Dans un article publié dans Cellule en mars 2024, Zehr et ses collègues du Massachusetts Institute of Technology, de l’Institut de Ciències del Mar de Barcelone et de l’Université de Rhode Island montrent que le rapport de taille entre UCYN-A et leurs hôtes algues est similaire pour différentes espèces d’algues haptophytes marines. Braarudosphaera bigelowii.

Les chercheurs utilisent un modèle pour démontrer que la croissance de la cellule hôte et celle de l’UCYN-A sont contrôlées par l’échange de nutriments. Leurs métabolismes sont liés. Cette synchronisation des taux de croissance a conduit les chercheurs à qualifier UCYN-A de « semblable à un organelle ».

« C’est exactement ce qui se passe avec les organites », a déclaré Zehr. « Si vous regardez les mitochondries et le chloroplaste, c’est la même chose : ils évoluent avec la cellule. »

Mais les scientifiques n’ont pas qualifié l’UCYN-A d’organite avec certitude jusqu’à ce qu’ils aient confirmé d’autres éléments de preuve. Dans le article de couverture de la revue Sciencepublié aujourd’hui, Zehr, Coale, Kendra Turk-Kubo et Wing Kwan Esther Mak de l’UC Santa Cruz, et des collaborateurs de l’Université de Californie à San Francisco, du Lawrence Berkeley National Laboratory, de la National Taiwan Ocean University et de l’Université de Kochi au Japon, montrent que UCYN-A importe des protéines de ses cellules hôtes.

« C’est l’une des caractéristiques de quelque chose qui passe d’un endosymbionte à un organite », a déclaré Zehr. « Ils commencent à jeter des morceaux d’ADN, et leurs génomes deviennent de plus en plus petits, et ils commencent à dépendre de la cellule mère pour que ces produits génétiques – ou la protéine elle-même – soient transportés dans la cellule. »

Coale a travaillé sur la protéomique pour l’étude. Il a comparé les protéines trouvées dans l’UCYN-A isolée avec celles trouvées dans la cellule hôte de l’algue entière. Il a découvert que la cellule hôte fabrique des protéines et les marque avec une séquence d’acides aminés spécifique, qui indique à la cellule de les envoyer au nitroplaste. Le nitroplaste importe ensuite les protéines et les utilise. Coale a identifié la fonction de certaines protéines et celles-ci comblent les lacunes de certaines voies au sein de l’UCYN-A.

« C’est un peu comme ce puzzle magique qui s’assemble et fonctionne », a déclaré Zehr.

Dans le même article, des chercheurs de l’UCSF montrent que l’UCYN-A se réplique en synchronisation avec la cellule de l’algue et est héritée comme les autres organites.

Changer les perspectives

Ces éléments de preuve indépendants laissent peu de doute sur le fait que UCYN-A a dépassé le rôle d’un symbiote. Et tandis que les mitochondries et les chloroplastes ont évolué il y a des milliards d’années, le nitroplaste semble avoir évolué il y a environ 100 millions d’années, offrant ainsi aux scientifiques une nouvelle perspective plus récente sur l’organellogenèse.

L’organite donne également un aperçu des écosystèmes océaniques. Tous les organismes ont besoin d’azote sous une forme biologiquement utilisable, et l’UCYN-A est importante à l’échelle mondiale pour sa capacité à fixer l’azote de l’atmosphère. Les chercheurs l’ont trouvé partout, des tropiques à l’océan Arctique, et il fixe une quantité importante d’azote.

« Ce n’est pas juste un autre joueur », a déclaré Zehr.

Cette découverte a également le potentiel de changer l’agriculture. La capacité de synthétiser des engrais ammoniaqués à partir de l’azote atmosphérique a permis à l’agriculture – et à la population mondiale – de décoller au début du XXe siècle. Connu sous le nom de procédé Haber-Bosch, il permet environ 50 % de la production alimentaire mondiale. Cela crée également d’énormes quantités de dioxyde de carbone : environ 1,4 % des émissions mondiales proviennent de ce processus. Depuis des décennies, les chercheurs tentent de trouver un moyen d’intégrer la fixation naturelle de l’azote dans l’agriculture.

« Ce système constitue une nouvelle perspective sur la fixation de l’azote et pourrait fournir des indices sur la manière dont un tel organite pourrait être intégré aux plantes cultivées », a déclaré Coale.

Mais de nombreuses questions sur UCYN-A et son hôte algal restent sans réponse. Les chercheurs prévoient d’approfondir le fonctionnement de l’UCYN-A et de l’algue et d’étudier différentes souches.

Kendra Turk-Kubo, professeur adjoint à l’UC Santa Cruz, poursuivra la recherche dans son nouveau laboratoire. Zehr s’attend à ce que les scientifiques découvrent d’autres organismes avec des histoires évolutives similaires à celles de l’UCYN-A, mais en tant que première du genre, cette découverte en est une pour les manuels.