Les activités industrielles et agricoles produisent de grandes quantités de méthane, un gaz à effet de serre qui contribue au réchauffement climatique. De nombreuses bactéries produisent également du méthane comme sous-produit de leur métabolisme. Une partie de ce méthane libéré naturellement provient de l'océan, un phénomène qui a longtemps intrigué les scientifiques car il n'y a pas d'organismes producteurs de méthane connus vivant près de la surface de l'océan.

Une équipe de chercheurs du MIT et de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a fait une découverte qui pourrait aider à répondre à ce « paradoxe du méthane océanique ». D'abord, ils ont identifié la structure d'une enzyme qui peut produire un composé qui est connu pour être converti en méthane. Puis, ils ont utilisé ces informations pour montrer que cette enzyme existe dans certains des microbes marins les plus abondants. Ils pensent que ce composé est probablement la source de gaz méthane libéré dans l'atmosphère au-dessus de l'océan.

Le méthane produit par l'océan représente environ 4% du total rejeté dans l'atmosphère, et une meilleure compréhension de l'origine de ce méthane pourrait aider les scientifiques à mieux comprendre son rôle dans le changement climatique, disent les chercheurs.

« Comprendre le cycle mondial du carbone est vraiment important, surtout quand on parle de changement climatique, " dit Catherine Drennan, professeur de chimie et de biologie au MIT et chercheur au Howard Hughes Medical Institute. "D'où vient vraiment le méthane ? Comment est-il utilisé ? Comprendre le flux de la nature est une information importante à avoir dans toutes ces discussions."

Drennan et Wilfred van der Donk, professeur de chimie à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, sont les auteurs principaux de l'article, qui apparaît dans l'édition en ligne du 7 décembre de Science . Les auteurs principaux sont David Born, un étudiant diplômé du MIT et de l'Université Harvard, et Émilie Ulrich, un étudiant diplômé de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

Résoudre le mystère

De nombreuses bactéries produisent du méthane comme sous-produit de leur métabolisme, mais la plupart de ces bactéries vivent dans des environnements pauvres en oxygène tels que l'océan profond ou le tube digestif des animaux, et non près de la surface de l'océan.

Il y a plusieurs années, van der Donk et William Metcalf, un collègue de l'Université de l'Illinois, ont découvert un indice possible du mystère du méthane océanique :ils ont découvert une enzyme microbienne qui produit un composé appelé méthylphosphonate, qui peut devenir du méthane lorsqu'une molécule de phosphate en est clivée. Cette enzyme a été trouvée dans un microbe appelé Nitrosopumilus maritimus, qui vit près de la surface de l'océan, mais l'enzyme n'a pas été facilement identifiée dans d'autres microbes océaniques comme on aurait pu s'y attendre.

L'équipe de Van der Donk connaissait la séquence génétique de l'enzyme, connue sous le nom de méthylphosphonate synthase (MPnS), ce qui leur a permis de rechercher d'autres versions de celui-ci dans les génomes d'autres microbes. Cependant, chaque fois qu'ils trouvent une correspondance potentielle, l'enzyme s'est avérée être une enzyme apparentée appelée hydroxyéthylphosphonate dioxygénase (HEPD), qui génère un produit très similaire au méthylphosphonate mais qui ne peut pas être clivé pour produire du méthane.

Van der Donk a demandé à Drennan, un expert dans la détermination des structures chimiques des protéines, si elle pouvait essayer de révéler la structure de MPnS, dans l'espoir que cela les aiderait à trouver plus de variantes de l'enzyme dans d'autres bactéries.

Pour trouver la structure, l'équipe du MIT a utilisé la cristallographie aux rayons X, qu'ils ont effectué dans une chambre spéciale sans oxygène. Ils savaient que l'enzyme a besoin d'oxygène pour catalyser la production de méthylphosphonate, ainsi, en éliminant l'oxygène, ils ont pu obtenir des instantanés de l'enzyme lorsqu'elle s'est liée aux partenaires de réaction nécessaires mais avant qu'elle n'effectue la réaction.

Les chercheurs ont comparé les données de cristallographie de MPnS avec l'enzyme HEPD associée et ont trouvé une différence petite mais critique. Dans le site actif des deux enzymes (la partie de la protéine qui catalyse les réactions chimiques), il existe un acide aminé appelé glutamine. En MPnS, cette molécule de glutamine se lie au fer, un cofacteur nécessaire à la production de méthylphosphonate. La glutamine est fixée dans une orientation de liaison au fer par l'acide aminé volumineux isoleucine, qui est directement en dessous de la glutamine dans MPnS. Cependant, en HEPD, l'isoleucine est remplacée par la glycine, et la glutamine est libre de se réarranger de sorte qu'elle n'est plus liée au fer.

"Nous recherchions des différences qui conduiraient à des produits différents, et c'est la seule différence que nous avons vue, " dit Born. De plus, les chercheurs ont découvert que changer la glycine dans HEPD en isoleucine était suffisant pour convertir l'enzyme en MPnS.

Une enzyme abondante

En recherchant des bases de données de séquences génétiques de milliers de microbes, les chercheurs ont trouvé des centaines d'enzymes avec la même configuration structurelle que celle de leur enzyme MPnS d'origine. Par ailleurs, tous ont été trouvés dans des microbes qui vivent dans l'océan, et un a été trouvé dans une souche d'un microbe océanique extrêmement abondant connu sous le nom de Pelagibacter ubique.

On ne sait toujours pas quelle fonction cette enzyme et son produit remplissent dans les bactéries océaniques. On pense que les méthylphosphonates sont incorporés dans des molécules grasses appelées phosphonolipides, qui sont similaires aux phospholipides qui composent les membranes cellulaires.

"La fonction de ces phosphonolipides n'est pas bien établie, bien qu'ils soient connus depuis des décennies. C'est une question vraiment intéressante à poser, " dit Born. " Maintenant, nous savons qu'ils sont produits en grande quantité, surtout dans l'océan, mais nous ne savons pas du tout ce qu'ils font ou comment ils profitent à l'organisme."

Une autre question clé est de savoir comment la production de méthane par ces organismes est influencée par les conditions environnementales dans l'océan, y compris la température et la pollution comme le ruissellement des engrais.

"Nous savons que le clivage du méthylphosphonate se produit lorsque les microbes sont privés de phosphore, mais nous devons déterminer quels nutriments sont liés à cela, et comment est-ce lié au pH de l'océan, et comment est-il lié à la température de l'océan, " Dit Drennan. " Nous avons besoin de toutes ces informations pour pouvoir réfléchir à ce que nous faisons, afin que nous puissions prendre des décisions intelligentes sur la protection des océans. »