Une équipe de scientifiques de l’Université d’État du Montana a fourni la première preuve expérimentale que deux nouveaux groupes de microbes se développant dans les caractéristiques thermiques du parc national de Yellowstone produisent du méthane – une découverte qui pourrait un jour contribuer au développement de méthodes visant à atténuer le changement climatique et à fournir des informations sur la vie potentielle ailleurs dans notre système solaire.
Le journal Nature Cette semaine, ont été publiés les résultats du laboratoire de Roland Hatzenpichler, professeur associé au département de chimie et de biochimie de la faculté des lettres et des sciences de l’Université d’État du Michigan et directeur associé de l’Institut de biologie thermique de l’université.
Les deux articles scientifiques décrivent la vérification par les chercheurs de l’Université d’État du Michigan des premiers exemples connus d’organismes unicellulaires produisant du méthane en dehors de la lignée Euryarchaeota, qui fait partie de la plus grande branche de l’arbre de la vie appelée Archaea.
Les organismes unicellulaires producteurs de méthane sont appelés méthanogènes. Alors que les humains et les autres animaux mangent de la nourriture, respirent de l’oxygène et expirent du dioxyde de carbone pour survivre, les méthanogènes mangent de petites molécules comme le dioxyde de carbone ou le méthanol et expirent du méthane. La plupart des méthanogènes sont des anaérobies stricts, ce qui signifie qu’ils ne peuvent pas survivre en présence d’oxygène.
Les scientifiques savent depuis les années 1930 que de nombreux organismes anaérobies au sein des archées sont méthanogènes, et pendant des décennies, ils ont cru que tous les méthanogènes appartenaient à un seul phylum : les Euryarchaeota.
Mais il y a environ 10 ans, des microbes porteurs de gènes de méthanogenèse ont commencé à être découverts dans d’autres phylums, dont un appelé Thermoproteota. Ce phylum contient deux groupes microbiens appelés Methanomethylicia et Méthanodesulfokora.
« Tout ce que nous savions de ces organismes, c’était leur ADN », a déclaré Hatzenpichler. « Personne n’avait jamais vu une cellule de ces prétendus méthanogènes ; personne ne savait s’ils utilisaient réellement leurs gènes de méthanogénèse ou s’ils se développaient par d’autres moyens.
Hatzenpichler et ses chercheurs ont entrepris de vérifier si les organismes vivaient par méthanogénèse, en basant leur travail sur la résultats d’une étude publié l’année dernière par l’un de ses anciens étudiants diplômés de la MSU, Mackenzie Lynes.
Des échantillons ont été prélevés dans des sédiments des sources chaudes du parc national de Yellowstone, dont la température variait entre 141 et 161 degrés Fahrenheit (61 à 72 degrés Celsius).
Grâce à ce que Hatzenpichler a décrit comme un « travail minutieux », Anthony Kohtz, doctorant à la MSU, et Viola Krukenberg, chercheuse postdoctorale, ont cultivé les microbes de Yellowstone en laboratoire. Les microbes ont non seulement survécu, mais prospéré – et ont produit du méthane. L’équipe a ensuite travaillé à caractériser la biologie des nouveaux microbes, avec la participation du scientifique Zackary Jay et d’autres chercheurs de l’ETH Zurich.
Dans le même temps, un groupe de recherche dirigé par Lei Cheng de l’Institut du biogaz du ministère chinois de l’Agriculture et des Affaires rurales et Diana Sousa de l’Université de Wageningen aux Pays-Bas a réussi à cultiver un autre de ces nouveaux méthanogènes, un projet sur lequel ils travaillaient depuis six ans.
« Jusqu’à nos études, aucun travail expérimental n’avait été réalisé sur ces microbes, à part le séquençage de l’ADN », a déclaré Hatzenpichler.
Il a déclaré que Cheng et Sousa ont proposé de soumettre les études ensemble pour publication, et Le papier de Cheng l’isolement d’un autre membre de Methanomethylicia a été rapporté conjointement avec les deux études de laboratoire Hatzenpichler.
Bien qu’il fasse partie du groupe de méthanogènes nouvellement identifié, Méthanodesulfokorasemble être confiné aux sources chaudes et aux sources hydrothermales des grands fonds marins, Méthanométhylicie sont très répandues, a déclaré Hatzenpichler.
On les retrouve parfois dans les stations d’épuration des eaux usées et dans le tube digestif des ruminants, ainsi que dans les sédiments marins, les sols et les zones humides. Hatzenpichler a déclaré que cela est important car les méthanogènes produisent 70 % du méthane mondial, un gaz 28 fois plus puissant que le dioxyde de carbone pour piéger la chaleur dans l’atmosphère. selon l’Agence américaine de protection de l’environnement.
« Les niveaux de méthane augmentent à un rythme bien plus élevé que celui du dioxyde de carbone, et les humains rejettent du méthane dans l’atmosphère à un rythme plus élevé que jamais auparavant », a-t-il déclaré.
Hatzenpichler a déclaré que si les expériences ont répondu à une question importante, elles en ont généré de nombreuses autres qui alimenteront les travaux futurs. Par exemple, les scientifiques ne savent pas encore si les Methanomethylicia qui vivent dans des environnements non extrêmes dépendent de la méthanogénèse pour se développer ou si elles se développent par d’autres moyens.
« Je pense que parfois, ils se développent en produisant du méthane, et parfois ils font tout autre chose, mais nous ne savons pas quand, comment ou pourquoi ils se développent », a déclaré Hatzenpichler. « Nous devons maintenant découvrir quand ils contribuent au cycle du méthane et quand ils ne le font pas. »
Alors que la plupart des méthanogènes des Euryarchaeota utilisent du CO2 ou de l’acétate pour produire du méthane, Methanomethylicia et Methanodesulfokora utilisent des composés tels que le méthanol. Cette propriété pourrait aider les scientifiques à apprendre comment modifier les conditions dans les différents environnements où ils se trouvent afin de réduire les émissions de méthane dans l’atmosphère, a déclaré Hatzenpichler.
Son laboratoire commencera à collaborer cet automne avec la ferme de recherche et d’enseignement agricole de Bozeman de la MSU, qui fournira des échantillons pour des recherches plus poussées sur les méthanogènes trouvés dans le bétail. De plus, de nouveaux étudiants diplômés qui rejoindront le laboratoire de Hatzenpichler à l’automne détermineront si les archées nouvellement découvertes produisent du méthane dans les eaux usées, les sols et les zones humides.
Les Methanomethylicia ont également une architecture cellulaire fascinante, a déclaré Hatzenpichler. Il a collaboré avec deux scientifiques de l’ETH Zurich, Martin Pilhofer et l’étudiant diplômé Nickolai Petrosian, pour montrer que le microbe forme des tubes intercellulaires jusqu’alors inconnus qui relient deux ou trois cellules entre elles.
« Nous ne savons pas pourquoi ils forment ces structures. Des structures comme celles-ci ont rarement été observées chez les microbes. Peut-être qu’ils échangent de l’ADN, peut-être qu’ils échangent des produits chimiques. Nous ne le savons pas encore », a déclaré Hatzenpichler.
Hatzenpichler a discuté des résultats des deux études dans un conférence en ligne et sur une récente Questions microbiennes podcast, et produit ceci infographie sur le cycle du méthane.
Plus d’information:
Anthony J. Kohtz et al, Culture et visualisation d’un méthanogène du phylum Thermoproteota, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07631-6
Viola Krukenberg et al, Méthanogenèse méthyl-réductrice par une culture thermophile de Korarchaeia, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07829-8
Kejia Wu et al, Isolement d’un méthanogène méthyl-réducteur en dehors des Euryarchaeota, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07728-y