Les chercheurs de Caltech ont découvert une nouvelle classe d’enzymes qui permettent à une myriade de bactéries de « respirer » le nitrate dans des conditions de faible teneur en oxygène. Bien qu’il s’agisse d’un avantage évolutif pour la survie bactérienne, le processus produit du protoxyde d’azote (N2O), un gaz à effet de serre, comme sous-produit, le troisième gaz à effet de serre le plus puissant, après le dioxyde de carbone et le méthane.
Cependant, contrairement au dioxyde de carbone, l’oxyde nitreux ne persiste pas longtemps dans l’atmosphère, ce qui signifie que toute intervention visant à réduire ses émissions peut avoir des avantages immédiats. Par exemple, une utilisation excessive d’engrais pour les cultures fournit aux bactéries du sol une abondance de nitrate, qu’elles transforment ensuite en oxyde nitreux. Une application plus judicieuse d’engrais pourrait à la fois réduire les émissions de gaz à effet de serre et faire économiser de l’argent aux agriculteurs.
« Le protoxyde d’azote est un gaz à effet de serre beaucoup plus difficile à surveiller que le dioxyde de carbone, mais grâce à cette recherche, nous savons maintenant qu’il existe bien plus de sources produisant du protoxyde d’azote qu’on ne le pensait auparavant », déclare Woody Fischer, professeur de géobiologie et chercheur principal de la nouvelle étude. .
« Comprendre où et quand ce gaz est libéré dans l’atmosphère peut nous aider à prendre des décisions plus judicieuses. Il existe un avenir pas si lointain dans lequel un agriculteur disposera d’informations sur les communautés de microbes présentes dans son sol, ce qui lui permettra de prendre des décisions éclairées sur comment et quand. utiliser des engrais pour la santé du paysage.
UN papier décrivant la recherche parue le 20 juin dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences.
Dirigée par l’ancien chercheur postdoctoral Ranjani Murali et le chercheur principal James Hemp, l’équipe a examiné les séquences génomiques de dizaines de milliers d’espèces microbiennes différentes dans divers environnements de la Terre. La plupart des cellules de la biosphère utilisent certaines protéines appelées réductases pour respirer de l’oxygène, mais Murali et son équipe ont découvert un large éventail de réductases qui avaient développé des protéines étroitement apparentées pour respirer l’oxyde nitrique, produisant ainsi de l’oxyde nitreux.
L’oxyde nitrique et l’oxyde nitreux sont des produits chimiques intermédiaires produits lors de la dénitrification, le processus par lequel les bactéries décomposent le nitrate, le produit chimique présent dans les engrais. Les bactéries sont capables de passer de l’oxygène respiratoire à l’oxyde nitrique dans de nombreux environnements différents (zones humides, sols alpins, lacs, etc.) lorsque les niveaux d’oxygène commencent à descendre en dessous d’environ 10 % des niveaux atmosphériques.
« Nous avons manqué de grandes régions de la biosphère où le protoxyde d’azote était produit parce que ces protéines n’étaient pas découvertes », explique Fischer. « Nous pouvons désormais prédire avec beaucoup plus de précision, grâce aux informations sur la séquence génomique, quels organismes dans quels environnements produisent du protoxyde d’azote. Il y en a bien plus que nous ne le pensions. »
Les géobiologistes pensaient auparavant que les voies anaérobies comme la respiration des nitrates avaient précédé l’évolution de la capacité de respirer de l’oxygène, chez nos premiers ancêtres unicellulaires. Cette étude « inverse le scénario », selon Fischer, démontrant que les protéines qui permettent la respiration des nitrates ont en réalité évolué à partir de celles qui respirent l’oxygène, il y a deux milliards d’années.
« Les microbiologistes prédisent souvent les métabolismes que les microbes sont capables d’accomplir sur la base de la génomique comparative », explique le co-auteur James Hemp, ancien chercheur postdoctoral de Caltech et désormais membre de la société Meliora.bio dans l’Utah.
« Cependant, ces hypothèses sont rarement testées expérimentalement. Nos travaux ont considérablement augmenté la diversité biochimique de l’une des familles d’enzymes les plus étudiées en microbiologie. Cela devrait servir d’avertissement : une analyse métabolique automatisée sans vérification expérimentale peut conduire à des conclusions incorrectes sur les fonctions. des microbes et des communautés.
Murali, aujourd’hui membre du corps professoral de l’Université du Nevada à Las Vegas, est le premier auteur de l’étude. En plus de Murali, Fischer et Hemp, les co-auteurs de Caltech sont d’anciens étudiants diplômés LM Ward (Ph.D. ’17) maintenant du Smith College et Usha F. Lingappa (Ph.D. ’21) maintenant de l’UC Berkeley. Les autres co-auteurs sont Laura A. Pace de Meliora.bio, Robert A. Sanford et Robert B. Gennis de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, ainsi que Mackenzie M. Lynes et Roland Hatzenpichler de la Montana State University.
Plus d’information:
Ranjani Murali et al, Diversité et évolution de la réduction de l’oxyde nitrique chez les bactéries et les archées, Actes de l’Académie nationale des sciences (2024). DOI : 10.1073/pnas.2316422121