Les scientifiques ont découvert comment les microbes dans les sols gorgés d'eau produisent des niveaux élevés d'éthylène, qui peuvent nuire aux cultures agricoles et aux matières premières bioénergétiques comme le panic raide. Ces nouvelles connaissances peuvent être utilisées pour développer des traitements pour des cultures plus saines. Crédits :Andy Sproles/ORNL, Département américain de l'énergie
Des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie et de l'Ohio State University ont découvert une nouvelle voie microbienne qui produit de l'éthylène, fournir une avenue potentielle pour la bioproduction d'un composant commun des plastiques, adhésifs, liquides de refroidissement et autres produits du quotidien.
La découverte, Publié dans Science , met en lumière un mystère de longue date sur la façon dont l'éthylène est produit en anaérobie, ou privé d'oxygène, les sols et indique des voies potentielles pour empêcher les dommages aux cultures dus à des niveaux élevés d'éthylène. L'étude décrit également une façon jusqu'alors inconnue de générer du méthane par les bactéries, un puissant gaz à effet de serre.
L'équipe de recherche a découvert que l'éthylène et le méthane sont des sous-produits d'un processus bactérien qui fabrique de la méthionine, un acide aminé nécessaire à la construction des protéines. Lorsque leur environnement est anaérobie et pauvre en soufre, les bactéries sont obligées de piéger le soufre des déchets cellulaires, déclenchant cette nouvelle voie.
« Depuis une dizaine d'années, les chercheurs ont étudié la production biologique d'éthylène par un mécanisme différent qui se produit dans des environnements oxygénés, " a déclaré le chercheur scientifique de l'Ohio State Justin North. " Il existe un obstacle technique à l'intensification de ce processus, car l'éthylène et l'oxygène mélangés à l'échelle industrielle pourraient être explosifs. Cette nouvelle voie anaérobie franchit cet obstacle, mais il y a encore du travail à faire pour l'étendre."
La recherche a commencé dans l'État de l'Ohio, où Robert Tabita mène une étude en cours sur la fixation du carbone et le métabolisme de l'azote et du soufre chez les bactéries photosynthétiques. Au sein de l'équipe de Tabita, North a décidé de mesurer les gaz consommés et émis par Rhodospirillum rubrum et d'autres microbes de la même famille lorsqu'ils étaient affamés de soufre. Il a été surpris de détecter de l'éthylène.
Bob Hettich de l'ORNL a utilisé une technique de spectrométrie de masse spécialisée pour caractériser les protéomes des systèmes microbiens. Crédit :Carlos Jones/ORNL, Département américain de l'énergie
"Nous savons que ces bactéries produisent de l'hydrogène et consomment du dioxyde de carbone, " dit North. " Mais, Et voilà, ils fabriquaient de grandes quantités d'éthylène gazeux. Et nous avons pensé, bien, c'est bizarre."
North et ses collègues de l'État de l'Ohio ont étudié ce nouveau processus métabolique en utilisant des composés radioactifs pour suivre les précurseurs et la production de méthionine et d'éthylène dans les microbes. Mais un type différent de biotechnologie analytique était nécessaire pour établir le lien critique entre la voie et les protéines appelées enzymes qui la pilotent.
Tabita a contacté Bob Hettich, qui dirige le groupe de spectrométrie de masse biologique à l'ORNL, pour une analyse comparative de la collection de protéines, appelés protéomes, présentes dans ces bactéries photosynthétiques selon deux scénarios différents :à faible teneur en soufre, conditions de production d'éthylène et à haute teneur en soufre, conditions non productrices d'éthylène. Le groupe de Hettich a développé une approche de pointe pour caractériser les protéomes des systèmes microbiens par spectrométrie de masse, une technique qui mesure avec précision les masses et les voies de fragmentation de différentes molécules et fournit des détails sur la structure et la composition. Hettich et Weili Xiong, un chercheur postdoctoral de l'ORNL, identifié des milliers de protéines des systèmes à faible et à haute teneur en soufre et analysé leurs abondances comparatives pour identifier une poignée de protéines pour une caractérisation plus poussée.
"Nous avons trouvé des différences frappantes, ", a déclaré Hettich. Les données ont montré une famille de protéines de type nitrogénase qui étaient presque 50 fois plus abondantes dans les protéines à faible teneur en soufre, échantillons produisant de l'éthylène. Certaines protéines liées au fer et au soufre augmentaient également en abondance lorsque le soufre était rare, indiquant une nouvelle voie possible pour le métabolisme du soufre.
Ces données étaient surprenantes car les protéines de type nitrogénase sont regroupées dans des annotations génétiques avec des nitrogénases qui ont des séquences d'ADN similaires et sont connues pour convertir l'azote atmosphérique en ammoniac. Ce processus de fixation de l'azote est essentiel à la vie sur terre et a été largement étudié. Étant donné leur nom, ces protéines de type nitrogénase ne sont pas celles que les scientifiques auraient devinées jouer un rôle dans le métabolisme du soufre.
Weili Xiong a collaboré à la recherche en spectrométrie de masse à l'ORNL en tant qu'associée postdoctorale. Crédit :Carlos Jones/ORNL, Département américain de l'énergie
"Parfois, la dénomination ou l'annotation d'un gène ou d'une famille de gènes peut être trompeuse, " dit Hettich. "Le nom suggère une fonction principale. En réalité, le gène pourrait avoir une fonction secondaire, un travail de nuit pour ainsi dire, ou il pourrait en fait faire quelque chose de complètement différent."
"Mais les données sont les données, " a-t-il poursuivi. " Si vous exécutez les mesures correctement et de manière agnostique où vous ne connaissez pas la réponse a priori , alors les données révéleront les vraies connexions."
Avec ces données cruciales sur le protéome, Des chercheurs de l'État de l'Ohio et des collègues de la Colorado State University et du Pacific Northwest National Laboratory ont mené une série d'expériences manipulant le génome bactérien pour inclure ou supprimer le groupe de gènes Rru_A0793-Rru_A0796. L'élimination et le remplacement du gène ont désactivé et activé la production d'éthylène comme un interrupteur, confirmant que les gènes et l'enzyme résultante qu'ils codent sont essentiels à cette voie métabolique.
Les enzymes de type nitrogénase clivent les liaisons carbone-soufre pour réduire le 2-(méthylthio)éthanol en un précurseur pour la fabrication de méthionine. Cette voie produit de l'éthylène comme sous-produit. L'équipe de recherche a découvert que si la source de soufre est changée en sulfure de diméthyle, le composé organique soufré volatil le plus abondant, les bactéries l'utilisent dans leur voie de la méthionine et produisent du méthane comme sous-produit.
En plus d'un moyen biologique potentiel de produire de l'éthylène destiné à être utilisé dans les plastiques et d'autres produits industriels, ces résultats pourraient éclairer les traitements pour les cultures dans les zones gorgées d'eau, sols anaérobies pour éviter les dommages causés par une surabondance d'éthylène. Dans les bonnes quantités, l'éthylène est une hormone végétale importante qui aide les plantes à pousser, développer des feuilles et des racines et mûrir les fruits. Cette étude crée une foule de nouvelles questions scientifiques, y compris si cette voie est impliquée dans les interactions entre les plantes et les microbes.
"C'est très excitant que cette découverte mène à de nouvelles pistes d'enquête qui peuvent en fait avoir des avantages substantiels pour l'agriculture et d'autres cultures également, " dit Nord.
