Bien que les humains, ainsi que d’autres organismes vertébrés et invertébrés, ne fassent pas de photosynthèse, nous sommes définitivement les bénéficiaires en aval des formes de vie qui le font. Les organismes phototrophes au bas de la chaîne alimentaire convertissent la lumière solaire abondante en énergie qui alimente finalement toute autre vie.
Les deux systèmes métaboliques pour récolter l’énergie lumineuse sont fondamentalement différents. La plus connue est la photosynthèse à base de chlorophylle par laquelle la vie végétale utilise la lumière pour alimenter la conversion du dioxyde de carbone et de l’eau en sucres et en amidons ; l’autre système est constitué de rhodopsines pompant des protons.
Les rhodopsines microbiennes, protéines de liaison à la rétine, assurent le transport des ions piloté par la lumière (et accessoirement, les fonctions sensorielles). C’est une famille qui comprend les pompes à protons pilotées par la lumière, les pompes à ions, les canaux ioniques et les capteurs de lumière. Les rhodopsines microbiennes se trouvent dans les archées, les bactéries et les eucaryotes et sont répandues dans les océans et les lacs d’eau douce.
D’une manière générale, les espèces ont tendance à choisir l’un ou l’autre système métabolique, la dichotomie PC/Mac des organismes phototrophes. Cependant, une équipe multi-institutionnelle de biologistes moléculaires rapporte maintenant avoir trouvé une bactérie de lac alpin qui utilise à la fois des complexes photosynthétiques à base de bactériochlorophylle et des rhodopsines à pompage de protons. Leur étude est publiée dans PNAS.
Sur la base de mesures de photolyse flash, les auteurs rapportent que les deux systèmes sont photochimiquement actifs chez Sphingomonas glacialis AAP5, trouvé dans le lac alpin Gossenköllesee, situé dans les Alpes tyroliennes. Plus précisément, dans des conditions de faible luminosité entre 4 et 22 degrés Celsius, la bactérie exprime la bactériochlorophylle, et dans des conditions de lumière à des températures inférieures à 16 degrés Celsius, exprime la xanthorhodopsine, une pompe à protons.
S. glacialis utilise la lumière récoltée pour synthétiser l’ATP et stimuler la croissance. Les auteurs écrivent : « Cela indique que l’utilisation de deux systèmes de collecte de lumière peut représenter une adaptation évolutive aux conditions environnementales spécifiques trouvées dans les lacs alpins et d’autres écosystèmes analogues », à savoir une réponse aux grands changements saisonniers de température et de lumière.
Comme le notent les auteurs, les systèmes à base de bactériochlorophylle sont vastes, complexes et axés sur les pigments, nécessitant une machinerie moléculaire complexe pour la synthèse, l’assemblage et la régulation. Mais une fois assemblés, ils comprennent un système « set-it-and-forget-it » qui fonctionne même dans des conditions de faible luminosité. Les rhodopsines, en revanche, sont beaucoup plus simples et moins coûteuses à exprimer ; leur inconvénient est qu’ils ne sont assemblés et ne fonctionnent qu’en présence de niveaux d’éclairement plus élevés.
Chargés de tout le matériel génétique pour la chlorophototrophie et la phototrophie rétinienne, ces petits gars photohétérotrophes ont un besoin réduit de respiration aérobie et peuvent donc utiliser le carbone disponible pour la croissance, une denrée rare dans l’environnement lacustre alpin qu’ils habitent.
S’interrogeant sur l’existence d’organismes « ceinture et bretelles » adaptables de la même manière dans d’autres environnements avec d’importants changements de température saisonniers et des fluctuations de la disponibilité de la lumière, les chercheurs ont étudié 215 874 génomes bactériens, identifiant les deux ensembles de gènes dans 55 bactéries ; près de la moitié sont originaires d’environnements alpins. Ils notent qu’une espèce a été récemment identifiée dans les sources de Yellowstone, un environnement physico-chimique très différent, mais une autre dans laquelle les extrêmes environnementaux ont un delta élevé.
Les systèmes de bactériochlorophylle sont transférés principalement verticalement; cependant, les gènes de rhodopsine sont peu coûteux et couramment acquis horizontalement. Ainsi, écrivent les auteurs, « ce processus peut s’être produit à plusieurs reprises au cours de l’évolution. Cependant, le fait que ces espèces conservent et expriment le gène de rhodopsine obtenu dépendra des nouveaux gènes fournissant un avantage concurrentiel dans un environnement particulier. Ainsi, la phototrophie double peut également être bénéfique dans d’autres environnements avec des conditions physico-chimiques très dynamiques avec des extrêmes favorisant un système par rapport à l’autre. »
Plus d’information:
Karel Kopejtka et al, Une bactérie d’un lac de montagne récolte la lumière en utilisant à la fois des xanthorhodopsines pompant des protons et des photosystèmes à base de bactériochlorophylle, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2211018119
© 2022 Réseau Science X