Des biophysiciens de l’Université du Luxembourg ont découvert comment le microplancton, des organismes photosynthétiques clés qui produisent près de 50 % de l’oxygène que nous respirons, adopte un mode de vie économe lorsque les nutriments deviennent limités. Ils exploitent stratégiquement les lipides internes pour réguler les propriétés de natation afin de maximiser leur forme physique.
Le professeur Anupam Sengupta et son équipe ont découvert cette astuce évolutive en surveillant les espèces nuisibles de phytoplancton formant des efflorescences, à l’aide de techniques d’imagerie quantitative multi-échelles, de mesures analytiques et physiologiques, de simulations de dynamique des fluides et de modélisation mathématique.
Le suivi précis des organites intracellulaires (taille et position dans les cellules) et le comportement de nage révèlent une synergie émergente entre le mouvement lipidique actif et la forme cellulaire qui permet finalement au microplancton de naviguer dans des paysages nutritifs dynamiques. Les découvertes révolutionnaires apparaissent dans Avancées scientifiques.
Les nutriments microbiens se raréfient : une conséquence inévitable du changement climatique
Alors que les océans ouverts continuent de se réchauffer, les courants modifiés et la stratification accrue exacerbent la limitation des nutriments, limitant ainsi la production primaire. La capacité de migrer verticalement offre au phytoplancton mobile un avantage crucial, mais énergétiquement coûteux, qui permet une redistribution verticale pour la croissance, l’absorption des nutriments et le stockage de l’énergie dans une eau limitée en nutriments.
Au cours des dernières années, le professeur Sengupta a été le pionnier des découvertes qui pointent vers des stratégies biomécaniques exquises que le phytoplancton utilise pour s’adapter aux changements de son habitat, par exemple, en raison de la turbulence des océans (La nature 2017), et les mécanismes de protection d’alerte précoce face aux stress biophysiques (Actes de l’Académie nationale des sciences 2021).
La façon dont ces microbes minuscules mais indispensables s’adaptent à l’évolution des paysages de nutriments – principalement en raison du changement climatique – reste inconnue. Aujourd’hui, des chercheurs du groupe Physique de la matière vivante, dirigé par le professeur Sengupta, révèlent le sort du phytoplancton à travers une enquête interdisciplinaire à plusieurs échelles couvrant la microbiologie, la physique, les mathématiques et la modélisation numérique.
Basée sur un microplancton formant une marée rouge, l’étude révèle comment les espèces exploitent les gouttelettes lipidiques (LD) – jusqu’à présent connues pour servir d’organites de stockage d’énergie – doublent comme déclencheurs biomécaniques pour réguler les propriétés de nage sous limitation des nutriments. En contrôlant activement la position et la taille des LD, les cellules peuvent décider de nager vers le haut ou vers le bas : un trait de survie clé des microbes photosynthétiques, car leur position verticale dans la colonne d’eau détermine la disponibilité de la lumière et des nutriments.
Les approches inter-échelles et interdisciplinaires ont été cruciales pour la découverte
Parallèlement au suivi intracellulaire et à la quantification des propriétés de nage à l’aide de l’installation personnalisée Ocean-in-Lab, l’équipe du professeur Sengupta a mesuré les changements dans la capacité des planctons à transformer la lumière en énergie et la production de molécules oxydatives, un marqueur clé du stress physiologique. . Pris ensemble, les résultats relient la réorganisation intracellulaire à la biomécanique de la natation et fournissent en outre un cadre mécaniste pour estimer l’énergétique sous-jacente de l’acquisition de ressources sous des contraintes d’approvisionnement.
La combinaison de l’imagerie unicellulaire en accéléré, de la vélocimétrie par image de particules des populations nageuses, des simulations numériques et de la modélisation du continuum, ainsi que d’une foule de techniques microbiologiques et analytiques ont été cruciales pour cette découverte révolutionnaire. Cette recherche interdisciplinaire ouvre de nouvelles perspectives dans la recherche de la matière microbienne active et intelligente, et apporte un regard nouveau sur l’adaptation microbienne aux variations environnementales, notamment celles imposées par les changements climatiques et de mode de vie.
Plus d’information:
Anupam Sengupta et al, La reconfiguration active des gouttelettes lipidiques cytoplasmiques régit la migration du phytoplancton limité en nutriments, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abn6005
Anupam Sengupta et al, le phytoplancton peut activement diversifier sa stratégie de migration en réponse à des signaux turbulents, La nature (2017). DOI : 10.1038/nature21415
Francesco Carrara et al, La bistabilité dans la réponse au stress oxydatif détermine le comportement de migration du phytoplancton dans la turbulence, Actes de l’Académie nationale des sciences (2021). DOI : 10.1073/pnas.2005944118