Les méthanotrophes – organismes qui se développent en consommant du méthane – semblent être parfaits pour atténuer le réchauffement climatique, puisque le méthane représente environ 30 % de cet effet. Cependant, les sites de forage, où le gaz naturel est principalement composé de méthane, contiennent également du sulfure d’hydrogène (H2S), qui inhibe la croissance des méthanotrophes. Dans une nouvelle étude, des chercheurs ont découvert que le méthanotrophe Methylococcus capsulatus Bath possède une enzyme qui l’aide à se développer en présence de petites quantités de H2S.
« Le sulfure d’hydrogène est un problème majeur dans les industries pétrolières et gazières. Si nous voulons développer des solutions biologiques pour lutter contre les émissions de méthane, nous devons comprendre comment les méthanotrophes réagissent au sulfure d’hydrogène », a déclaré Christopher Rao (BSD/CABBI/GSE/MME) , professeur de génie chimique et biomoléculaire. « Cette étude est l’une des premières enquêtes sur la façon dont les méthanotrophes reprogramment leur métabolisme en réponse au H2S. »
« Les méthanotrophes sont les principaux puits de méthane dans la nature car ils utilisent le méthane comme source de carbone, contrairement à d’autres bactéries, comme Escherichia coli, qui utilisent du glucose », a déclaré Sichong Pei, un ancien étudiant diplômé des laboratoires Rao et Mackie (MME). et le premier auteur de l’article. « En étudiant les méthanotrophes, nous pouvons les comprendre et ensuite les concevoir pour augmenter leur consommation de méthane et aider à atténuer les effets de serre du méthane. »
M. capsulatus Bath est actuellement utilisé à des fins commerciales où ils sont nourris de méthane pur pour fabriquer des protéines unicellulaires utilisées dans l’alimentation animale. Bien que les bactéries aient été étudiées de manière approfondie à cette fin, on ne sait pas comment M. capsulatus Bath se comporte sur le gaz naturel, qui, en plus du méthane, contient également du dioxyde de carbone, de l’azote et du H2S.
« Le H2S est si toxique et corrosif que l’industrie pétrochimique doit l’éliminer du gaz naturel, dans une étape appelée » adoucissement « », a déclaré Pei. « Cependant, nous savons qu’il existe des méthanotrophes qui vivent dans les sources chaudes, qui ont de fortes concentrations de méthane et de H2S. Ces bactéries doivent avoir une résistance naturelle aux composés soufrés, ce qui signifie que l’utilisation de ces bactéries supprime le processus d’édulcoration et permet d’économiser de l’argent. «
Bien que d’autres chercheurs aient étudié les effets inhibiteurs de l’H2S sur M. capsulatus Bath, ils n’ont utilisé que des tests physiologiques où ils ont mesuré le taux de croissance des bactéries en présence du gaz. Dans la présente étude, le groupe s’est penché sur la transcription – le processus par lequel les cellules utilisent l’ADN pour fabriquer de l’ARN messager – dans la cellule afin d’étudier plus avant les effets de l’H2S sur le métabolisme de ces bactéries.
Tout d’abord, les chercheurs ont utilisé différentes concentrations de H2S pour voir quelles concentrations étaient inhibitrices. Bien que M. capsulatus Bath puisse se développer avec 0,1 % de H2S, le taux de croissance a diminué à des concentrations de 0,5 % et 0,75 %, et ils ont été complètement inhibés à 1 % de H2S. « Nous essayions de trouver le point idéal où les bactéries pourraient tolérer le H2S, sans que ce soit trop stressant », a déclaré Pei.
Les chercheurs ont ensuite cultivé les bactéries avec différentes concentrations de H2S, notamment 0 %, 0,1 %, 0,5 % et 0,75 %, et ont examiné les changements dans les niveaux d’ARN et de petites molécules. Ils ont découvert qu’à 0,75 % de H2S, les bactéries passent de l’utilisation de la méthanol déshydrogénase dépendante du calcium mxaF à la méthanol déshydrogénase dépendante des lanthanides xoxF.
« Ces bactéries se développent sur le méthane en le convertissant d’abord en méthanol, qui est ensuite converti en formaldéhyde à l’aide de l’enzyme méthanol déshydrogénase », a déclaré Pei. « Le gène xoxF a été identifié il y a dix ans et il utilise l’élément lanthanide. Nous avons vu que la transcription de xoxF a été multipliée par cinq par rapport à mxaF. »
Le lanthanide se trouve généralement à de très faibles concentrations dans la nature, généralement dans la gamme micromolaire. La question est donc de savoir pourquoi les bactéries dépendraient d’une enzyme qui utilise des lanthanides ? « Il y a trois milliards d’années, l’atmosphère terrestre contenait principalement du méthane et de l’H2S. Il est probable que les micro-organismes anciens contenaient des enzymes habituées à ces conditions difficiles. Une hypothèse est que la bactérie a hérité du gène xoxF, qui produit cette enzyme relativement ancienne, leur permettant de fonctionner dans des conditions riches en sulfure. »
Bien que ces bactéries aient xoxF, elles dépendent principalement de mxaF car il est plus efficace. Cependant, les chercheurs ont montré que lorsque ces bactéries sont exposées au sulfure, elles passent à l’utilisation de xoxF. « Auparavant, ce changement n’était visible que lorsque les chercheurs ajoutaient du lanthanide », a déclaré Pei. « Je crois qu’il y a un mécanisme intrigant derrière l’interrupteur et ce n’est qu’une pièce du puzzle. »
L’étude a été publiée dans Physiologie microbienne et cellulaire appliquée.
Plus d’information:
Sichong Pei et al, Analyse systémique de l’effet du sulfure d’hydrogène sur la croissance de Methylococcus capsulatus Bath, Microbiologie appliquée et biotechnologie (2022). DOI : 10.1007/s00253-022-12236-y