Une équipe dirigée par le laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie et l'Université du Michigan ont découvert que certaines bactéries peuvent voler un composé essentiel à d'autres microbes pour décomposer le méthane et le méthylmercure toxique dans l'environnement.

Les résultats pourraient éclairer les stratégies visant à manipuler ces micro-organismes pour réduire les émissions de méthane, un puissant gaz à effet de serre, et détoxifier le méthylmercure, une neurotoxine puissante qui peut s'accumuler dans l'approvisionnement alimentaire.

L'étude, Publié dans La revue ISME , ont découvert que certaines classes de méthanotrophes ou de bactéries consommatrices de méthane que l'on pensait auparavant incapables de dégrader le méthylmercure peuvent en fait le décomposer dans l'environnement. Cette activité est possible car les microbes sont équipés de la machinerie cellulaire pour absorber et utiliser un composé appelé méthanobactine qui est produit par d'autres microbes.

Les méthanotrophes sont répandus dans la nature. Ils vivent à proximité des interfaces méthane et air, comme la couche supérieure des sols, sédiments fluviaux et zones humides où ils peuvent accéder à l'oxygène tout en se nourrissant du méthane qui remonte de l'anoxique, ou pauvre en oxygène, environnements ci-dessous.

Ces bactéries jouent un rôle essentiel dans le cycle du carbone, consommant des quantités substantielles de méthane généré par d'autres microbes appelés méthanogènes. Ce contrepoids naturel est important pour limiter les émissions de méthane, qui sont 25 fois plus puissants que le dioxyde de carbone pour réchauffer l'atmosphère terrestre.

Une meilleure compréhension du fonctionnement des doseurs de méthane peut indiquer des méthodes pour les utiliser, comme des leviers pour contrôler les émissions de méthane. Les nouvelles connaissances peuvent également mieux informer les modèles climatiques qui prédisent l'avenir de la planète.

Les chercheurs ont découvert ces nouveaux comportements méthanotrophes en étudiant un autre problème mondial :la pollution au mercure. L'ORNL a une longue histoire de percées liées au mercure, y compris leur découverte en 2013 des gènes qui permettent aux microbes de transformer le mercure en toxine méthylmercure.

En 2017, une équipe dirigée par l'ORNL a été la première à démontrer que certains méthanotrophes peuvent décomposer le méthylmercure, un processus appelé déméthylation. Leurs dernières découvertes s'appuient sur cette découverte, montrant que plus de méthanotrophes qu'on ne le savait auparavant peuvent dégrader le méthylmercure.

"Au fur et à mesure que nous acquérons de nouvelles connaissances sur les activités méthanotrophiques, nous pourrions être en mesure de manipuler plus efficacement ces communautés microbiennes pour réduire les émissions de méthane et améliorer la détoxification du mercure dans l'environnement, " dit Baohua Gu, un membre d'entreprise de l'ORNL et biogéochimiste.

Producteurs et tricheurs

Les méthanotrophes recherchent le plus simple, approvisionnement alimentaire le plus rapide, avec une cible de composés monocarbonés comme le méthane et le méthylmercure, qui ont des structures chimiques similaires. Ces microbes ont également besoin de cuivre pour alimenter leurs processus métaboliques. C'est ce besoin en cuivre qui peut limiter l'activité méthanotrophique, poussant les microbes à rechercher des sources de cuivre dans l'environnement en utilisant de nombreuses méthodes différentes.

Certains méthanotrophes utilisent une protéine de surface pour sécuriser le cuivre. D'autres sécrètent un composé appelé méthanobactine, ou MB, qui se lie au cuivre dans l'environnement et facilite l'acquisition du cuivre. Des découvertes antérieures de l'équipe avaient montré que seules les bactéries dotées de la machinerie génétique et métabolique pour produire du bromure de méthyle peuvent décomposer le méthylmercure.

Les dernières découvertes des chercheurs démontrent que certains méthanotrophes qui ne produisent pas de MB peuvent détoxifier le méthylmercure en utilisant le MB sécrété par d'autres méthanotrophes. En d'autres termes, ils le volent.

"Ce sont effectivement ce qu'on appelle des tricheurs, " a déclaré Jeremy Semrau, microbiologiste de l'Université du Michigan. " Cela a déjà été observé, où un micro-organisme produit quelque chose qui profite à la communauté en général et d'autres le volent. Cela permet à certains méthanotrophes de répondre à leurs besoins en cuivre."

L'équipe de recherche a également montré que le vol réussi de MB nécessite que les méthanotrophes aient le gène, nommé mbnT, qui permet la production d'une protéine spécifique appelée le transporteur TonB. Bien nommé, cette protéine déplace le MB - et le cuivre associé - dans le microbe, permettant la décomposition du méthylmercure et du méthane.

Les scientifiques de l'UM ont conçu une souche de méthanotrophes sans le gène mbnT, et l'équipe de l'ORNL a analysé le mercure dans les échantillons. L'élimination du gène mbnT et de la protéine de transport dans ces microbes a efficacement désactivé leur capacité à absorber le MB ou à détoxifier le méthylmercure.

Ces informations pourraient éclairer les voies futures vers la lutte contre la pollution par le mercure dans l'environnement.

"Je pense que c'est une merveilleuse stratégie pour l'avenir où nous pourrions être en mesure d'utiliser des méthanotrophes pour aider à assainir les sites contaminés par le mercure, et que cela pourrait réellement se passer, dans une certaine mesure, naturellement, " a déclaré Semrau.

Une autre pièce du puzzle

Les méthanotrophes sont courants dans l'environnement, mais il reste encore beaucoup à apprendre sur leurs activités. Une équipe dirigée par le scientifique environnemental de l'ORNL Scott Brooks a collaboré avec le groupe de Semrau à U-M sur la découverte de plusieurs nouveaux méthanotrophes dans East Fork Poplar Creek, un cours d'eau contaminé par le mercure traversant la réserve d'Oak Ridge et étudié depuis des décennies.

Brooks et son équipe ont étudié les biofilms, qui sont des communautés complexes d'algues et de bactéries qui s'accumulent sur les rochers des ruisseaux sous forme de « boue verte ». Bien que les biofilms soient à peu près aussi épais que quelques cartes de crédit empilées, ce sont des points chauds pour le traitement du mercure et des nutriments.

L'équipe de l'ORNL avait précédemment découvert que des poches déficientes en oxygène au sein de ces biofilms abritent des microbes qui transforment le mercure en sa forme la plus toxique :le méthylmercure. Leur récente découverte de méthanotrophes dans les cavités riches en oxygène de ces mêmes biofilms signifie que la dégradation du méthylmercure se produit également naturellement dans le ruisseau.

"Il y a des gradients chimiques très raides et des changements de concentration qui se produisent sur une très petite distance, ", a déclaré Brooks. Cela inclut l'oxygène dissous qui "disparaît en quelques dixièmes de millimètre".

Ces minuscules poches d'oxygène sont suffisantes pour que les méthanotrophes se développent. Une analyse préliminaire a montré que l'activité microbienne produisant du méthylmercure dépassait l'activité méthanotrophique décomposant la toxine. Avec une étude plus approfondie, les scientifiques pourraient potentiellement identifier des méthodes pour faire pencher la balance vers la dégradation du méthylmercure.

"C'est un beau mariage de deux projets de recherche différents travaillant en parallèle, ", a déclaré Brooks. "Nous voyons des choses qui sont cohérentes les unes avec les autres et cela nous aide à confirmer ce qui se passe avec le cycle du mercure dans ces communautés microbiennes complexes."