La couleur brune des diatomées est causée par le caroténoïde fucoxanthine qui absorbe la lumière verte et transfère l'énergie aux chlorophylles pour la photosynthèse. Les deux mutants de diatomées nouvellement conçus avec une biosynthèse altérée de la fucoxanthine sont de couleur verte. Crédit :Martin Lohr
Les diatomées sont des algues unicellulaires microscopiques présentes dans les eaux naturelles du monde entier. Lors de la photosynthèse, ils absorbent de grandes quantités de dioxyde de carbone, le principal gaz à effet de serre émis par les activités humaines, et le transforment en biomasse. La fucoxanthine caroténoïde permet aux diatomées de récolter efficacement la partie bleu-vert de la lumière solaire pour la photosynthèse.
En collaboration avec une équipe de recherche internationale, des chercheurs de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) en Allemagne ont maintenant découvert comment les algues produisent ce pigment important et largement utilisé. Leurs travaux ont récemment été publiés dans un article scientifique dans Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ).
Nouvelles connaissances sur la synthèse de la fucoxanthine
Prospérant dans les environnements marins et d'eau douce du monde entier, les diatomées sont le groupe d'algues le plus riche en espèces et on estime qu'elles représentent jusqu'à un cinquième de la fixation mondiale du dioxyde de carbone photosynthétique. Contrairement aux feuilles vertes photosynthétiquement actives des plantes terrestres, les diatomées sont de couleur brune. Leur coloration distincte est causée par la fucoxanthine caroténoïde récoltant la lumière qui permet l'absorption efficace et l'utilisation photosynthétique de la lumière bleu-vert qui prévaut dans de nombreux habitats aquatiques. La fucoxanthine est l'un des caroténoïdes les plus abondants sur terre et un moteur majeur de la photosynthèse marine.
Au cours de la dernière décennie, la fucoxanthine est également devenue un sujet d'intérêt croissant pour les applications nutraceutiques et pharmaceutiques. Mentionnée pour la première fois dans la littérature scientifique il y a déjà 150 ans comme pigment majeur des algues brunes, la structure chimique de la fucoxanthine a été établie dans les années 1960. Jusqu'à présent, cependant, on ne savait pas comment les algues synthétisent cet important produit naturel.
Les groupes de recherche du Dr Martin Lohr de l'Université Johannes Gutenberg de Mainz (JGU), du professeur Graham Peers de l'Université d'État du Colorado à Fort Collins, aux États-Unis, et du professeur Xiaobo Li de l'Université Westlake de Hangzhou en Chine ont maintenant dévoilé la voie de biosynthèse de la fucoxanthine dans diatomées, rapportées dans un manuscrit conjoint publié dans PNAS .
À l'aide des ciseaux génétiques CRISPR/Cas9, les chercheurs ont altéré les gènes de la diatomée Phaeodactylum tricornutum qui codent pour des protéines très similaires aux enzymes impliquées dans la biosynthèse des caroténoïdes chez les plantes terrestres. L'inactivation de deux de ces enzymes candidates a donné des mutants de couleur verte dépourvus de fucoxanthine, mais ayant accumulé d'autres caroténoïdes à la place et ayant une efficacité photosynthétique fortement diminuée. La caractérisation biochimique détaillée des nouveaux caroténoïdes et des enzymes qui ont été éliminées chez les mutants a permis aux chercheurs de proposer la voie complète vers la fucoxanthine dans les diatomées.
Dans les diatomées de couleur brune, la fucoxanthine absorbe la lumière verte et transfère l'énergie aux chlorophylles photosynthétiques qui émettent une partie de cette énergie sous forme de lumière fluorescente rouge (à droite). Les cellules du mutant vert manquent de fucoxanthine et montrent une fluorescence de chlorophylle beaucoup plus faible en lumière verte (à gauche), démontrant l'importance de la fucoxanthine pour la récolte de lumière. Crédit :Martin Lohr &Christof Rickert
Synthèse via une voie complexe avec des intermédiaires jusque-là inconnus
La voie s'est avérée considérablement plus complexe que prévu et englobe trois nouveaux intermédiaires caroténoïdes. Sur la base d'analyses bioinformatiques des enzymes nouvellement découvertes et de leur distribution parmi les algues, les chercheurs ont également pu montrer que la voie de la fucoxanthine évoluait par duplication d'anciens gènes pour des enzymes catalysant la formation de caroténoïdes photoprotecteurs.
Comme l'expliquent les auteurs, les caroténoïdes dans l'organisme photosynthétique ont initialement servi de protecteurs sous un excès de lumière. Leurs travaux récents montrent que les diatomées reproduisent à plusieurs reprises les composants de la boîte à outils enzymatique qui génère ces pigments photoprotecteurs. Certaines des copies ont acquis de nouvelles fonctions, permettant ainsi la synthèse de caroténoïdes plus complexes qui se sont avérés particulièrement bien adaptés à la récolte photosynthétique de la lumière. Notamment, les jeunes algues brunes évolutives manquent de ces enzymes supplémentaires et des nouveaux intermédiaires caroténoïdes. Au lieu de cela, ils semblent utiliser une voie modifiée qui a évolué en raccourcissant la voie chez les diatomées.
Un transfert de la voie biosynthétique complète de la fucoxanthine dans d'autres organismes n'est pas encore possible. "Nous avons identifié tous les intermédiaires de la voie, mais certaines des enzymes impliquées sont encore inconnues", a déclaré le Dr Martin Lohr de l'Institut de physiologie moléculaire (IMP) de JGU. Les auteurs s'attendent cependant à ce que leurs découvertes favorisent l'identification des enzymes encore manquantes. De plus, les mutants de diatomées vertes offriront des opportunités de recherche sans précédent pour une meilleure compréhension de la biogenèse et de la régulation de l'appareil photosynthétique dans ce groupe d'algues de premier plan d'une importance écologique particulière. Faire la lumière sur la couleur brune des algues
