Les cyanobactéries sont des organismes unicellulaires qui tirent leur énergie de la lumière, en utilisant la photosynthèse pour convertir le dioxyde de carbone atmosphérique (CO2) et l’eau liquide (H2O) en oxygène respirable et en molécules à base de carbone comme les protéines qui composent leurs cellules. Les cyanobactéries ont été les premiers organismes à effectuer la photosynthèse dans l’histoire de la Terre et étaient responsables de l’inondation de la Terre primitive avec de l’oxygène, influençant ainsi de manière significative l’évolution de la vie.
Les mesures géologiques suggèrent que l’atmosphère de la Terre primitive – il y a plus de trois milliards d’années – était probablement riche en CO2, bien plus élevé que les niveaux actuels causés par le changement climatique anthropique, ce qui signifie que les anciennes cyanobactéries avaient beaucoup à « manger ».
Mais au cours de l’histoire de plusieurs milliards d’années de la Terre, les concentrations atmosphériques de CO2 ont diminué, et donc pour survivre, ces bactéries ont dû développer de nouvelles stratégies pour extraire le CO2. Les cyanobactéries modernes ont donc un aspect assez différent de leurs ancêtres anciens et possèdent un ensemble complexe et fragile de structures appelées mécanisme de concentration de CO2 (CCM) pour compenser les faibles concentrations de CO2.
Maintenant, une nouvelle recherche de Caltech met en lumière l’évolution du CCM, abordant un mystère de longue date dans le domaine de la géobiologie évolutive. La nouvelle étude utilise des techniques génétiques pour modéliser les ancêtres anciens des organismes modernes, permettant aux chercheurs d’expérimenter systématiquement sur différentes versions de bactéries et de révéler les voies évolutives possibles.
L’étude était une collaboration entre les laboratoires du professeur Caltech de géobiologie Woodward Fischer et David Savage, professeur agrégé de biologie moléculaire à l’UC Berkeley et au Howard Hughes Medical Institute. Il apparaît dans le journal Actes de l’Académie nationale des sciences.
« Il s’agit d’une manière émergente d’étudier l’histoire de la Terre », explique Fischer. « Nous pouvons prendre l’organisme moderne et le refaire en laboratoire, ce qui nous permet de tester les trajectoires de son évolution avec une expérimentation rigoureuse en laboratoire. »
Les cyanobactéries « mangent » du CO2 à l’aide d’une enzyme appelée rubisco. Rubisco n’est tout simplement pas très bon dans son travail – il agit lentement et a tendance à réagir avec d’autres molécules au lieu du CO2. Ce n’est pas un problème pour les cyanobactéries lorsqu’elles se trouvent dans un environnement à fortes concentrations de CO2 ; rubisco peut être inefficace et les bactéries peuvent encore avoir suffisamment de CO2 pour se métaboliser. Mais parce que les niveaux de CO2 atmosphérique ont tellement diminué au cours de milliards d’années, les cyanobactéries modernes ont développé un CCM pour concentrer le CO2 dans le corps de la bactérie et augmenter l’efficacité du rubisco.
Les CCM sont déroutants pour les biologistes de l’évolution parce qu’ils sont si délicats – la modification de l’un des 20 gènes qui codent pour les différentes parties du CCM provoque l’échec de la structure entière.
« Nous pensons que l’évolution se produit étape par étape, chaque nouveau gène ajoutant une nouvelle fonction », déclare Avi Flamholz, chercheur postdoctoral à Caltech et auteur principal du nouvel article. « Par exemple, les anciens précurseurs de l’œil humain moderne n’avaient pas toutes les fonctions de l’œil, mais pouvaient probablement détecter la lumière sous une forme ou une autre. Avec le CCM, il n’y avait pas de voie claire indiquant comment ils ont évolué vers leur complexité actuelle. »
Dans la nouvelle étude, l’équipe a entrepris de modéliser d’anciennes itérations possibles de la structure CCM. Pour ce faire, ils ont génétiquement modifié la bactérie Escherichia coli pour qu’elle ait besoin de CO2 pour son métabolisme. Parce qu’il existe des outils génétiques établis pour travailler avec E. coli en laboratoire, il est plus facile de travailler avec ce système modèle plutôt qu’avec les cyanobactéries elles-mêmes. L’équipe a ensuite conçu des souches d’E. coli avec les 20 gènes qui composent le CCM, et a systématiquement ajouté, supprimé et modifié des gènes afin de modéliser toutes les trajectoires évolutives possibles de la structure du CCM.
De cette façon, Flamholz et son équipe ont découvert qu’il existe en fait plusieurs trajectoires biologiquement viables qui conduisent à l’émergence du complexe CCM moderne.
« Ces résultats mettent en évidence le dialogue omniprésent entre le changement global et l’évolution de la biosphère terrestre », explique Fischer. « Alors que le CO2 devenait de plus en plus rare, les cyanobactéries ont pu innover une solution biochimique remarquable. »
Plus d’information:
Avi I. Flamholz et al, Trajectoires pour l’évolution des mécanismes bactériens de concentration du CO 2 , Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2210539119