Avec une part allant jusqu'à dix pour cent, L'éthane est le deuxième composant le plus courant du gaz naturel et est présent dans les gisements de gaz terrestres et marins profonds du monde entier. Jusqu'à maintenant, on ne sait pas comment l'éthane est dégradé en l'absence d'oxygène. Une équipe de chercheurs du Helmholtz Center for Environmental Research (UFZ) a résolu ce mystère, après plus de quinze ans de travaux de recherche en coopération avec des collègues de l'Institut Max Planck de microbiologie marine de Brême. Dans une culture microbienne obtenue à partir d'échantillons de sédiments du golfe du Mexique, les scientifiques ont découvert un archéon qui oxyde l'éthane. L'organisme unicellulaire a été nommé Candidatus Argoarchaeum ethanivorans, qui signifie littéralement « mangeur d'éthane à croissance lente ». Dans un article maintenant publié dans la revue La nature , les chercheurs décrivent la voie métabolique de la dégradation de l'éthane.

Les chercheurs ont dû faire preuve de beaucoup de patience pour résoudre le mystère de la dégradation anaérobie des hydrocarbures saturés. En 2002, Microbiologiste UFZ Dr Florin Musat, qui à l'époque menait des recherches à l'Institut Max Planck de microbiologie marine de Brême, reçu un échantillon de sédiment provenant du golfe du Mexique. L'échantillon avait été prélevé dans des suintements de gaz naturel à une profondeur d'eau de plus de 500 mètres. Il a fallu plus de dix ans d'efforts de culture pour obtenir des quantités suffisantes de la culture contenant l'archéon - comme base d'expériences détaillées pour décoder la structure et le métabolisme de la communauté microbienne. Lors de ses mensurations régulières, Florin Musat a reconnu que l'oxydation de l'éthane était couplée à la réduction du sulfate en sulfure d'hydrogène. "Pour un assez long moment, on pensait que la dégradation anaérobie de l'éthane était réalisée par des bactéries de manière similaire à la dégradation du butane ou du propane, mais nous n'avons pas pu identifier les produits métaboliques typiques d'un mécanisme d'oxydation bactérien, " dit Mousat.

Afin de percer les secrets de l'oxydation de l'éthane, Musat, qui travaille à l'UFZ depuis 2014, exploité les possibilités offertes par la plateforme technologique ProVIS. Le Center for Chemical Microscopy (ProVIS) regroupe un grand nombre de gros appareils, permettant efficace, analyses chimiques rapides et sensibles d'échantillons biologiques, structures et surfaces à l'échelle nanométrique. Par exemple, L'équipe de Musat a utilisé la microscopie à fluorescence pour montrer que Candidatus Argoarchaeum ethanivorans constitue la part dominante de la culture à environ 65% du nombre total de cellules, tandis que deux deltaprotéobactéries sulfato-réductrices représentent environ 30 pour cent. Les métabolites et les protéines ont été caractérisés par des techniques de spectrométrie de masse à haute résolution et la composition chimique et l'organisation spatiale des micro-organismes individuels ont été déterminées par microscopie hélium-ionique et NanoSIMS. En utilisant ces méthodes, les chercheurs ont démontré que l'archéon est responsable de l'oxydation de l'éthane en dioxyde de carbone, et les bactéries d'accompagnement pour réduire le sulfate en sulfure.

Par ailleurs, ils ont observé que Candidatus Argoarchaeum ethanivorans ne forme pas d'agrégats avec les bactéries partenaires lors de l'oxydation de l'éthane, contrairement aux cultures dégradant le méthane, propane ou butane. "L'archéon et les deux types de bactéries se développent principalement sous forme de cellules libres. Des connexions intercellulaires par des nano-fils qui serviraient de médiateur au transfert d'électrons, comme le montre d'autres cultures, sont manquantes, " dit Musat. Pour cette raison, une question passionnante demeure :comment l'Argoarchaeum et les bactéries interagissent-elles les unes avec les autres ? Les analyses du métagénome ont révélé que l'archéon ne possède pas de gènes connus pour la réduction des sulfates. Cela signifie que les électrons de l'oxydation de l'éthane doivent être transférés aux bactéries sulfato-réductrices. Les enquêtes menées par NanoSIMS ont suggéré que ce transfert pourrait potentiellement se produire via des composés soufrés. "Les archées tirent leur énergie de l'oxydation de l'éthane dans une syntrophie évidemment complexe (communauté de croisements) avec leurs partenaires sulfato-réducteurs, " dit Mousat.

Dans leur chasse au mécanisme de transfert d'électrons, L'équipe de Musat a étudié la culture à l'aide d'un microscope à hélium-ion. Cette analyse a conduit à une découverte inattendue :Candidatus Argoarchaeum forme de petites vésicules cellulaires, qui restent attachés en grappes minuscules inhabituelles, indiquant que les archées se divisent en bourgeonnant.

Finalement, dans le génome de Candidatus Argoarchaeum ethanivorans, les scientifiques ont identifié tous les gènes nécessaires à une enzyme fonctionnelle de type méthyl-coenzyme M réductase, qui catalyse la première étape de la dégradation anaérobie de l'éthane. Grâce à la spectrométrie de masse à ultra-haute résolution, ils ont également pu trouver le produit de cette enzyme, éthyl-coenzyme M. D'autres analyses du génome et du protéome ont identifié les gènes et les enzymes des réactions suivantes, déchiffrant ainsi la voie métabolique complète.

À ce jour, la recherche sur l'oxydation anaérobie de l'éthane a été essentiellement fondamentale. Mais en faisant un pas de plus, les résultats des chercheurs pourraient également être utiles pour des applications industrielles. « Nous connaissons maintenant les mécanismes sous-jacents à la dégradation des hydrocarbures à chaîne courte par les « alkyl »-CoM réductases, et nous supposons que les réactions inverses peuvent être réalisables. Si démontré, il s'agit de biotechnologies pour produire des hydrocarbures à l'aide de ces micro-organismes ou de micro-organismes similaires, " dit Musat. Cela pourrait marquer le début de nouvelles applications biotechnologiques pour produire des carburants synthétiques, comme le butane riche en énergie, par exemple. Le butane contient plus d'énergie par litre et peut être beaucoup plus facilement liquéfié que le méthane - un concept sur lequel Florin Musat et son équipe garderont un œil pour les recherches futures.