Résoudre un mystère vieux de plusieurs décennies, Des chercheurs de Stanford ont découvert des protéines qui permettent à des microbes robustes appelés archées de durcir leurs membranes lorsque les eaux sont trop chaudes. La découverte de ces protéines pourrait aider les scientifiques à reconstituer l'état du climat de la Terre remontant à des millions d'années, à l'époque où ces archées parcouraient les anciens océans.

« Les gens recherchent ces protéines depuis 40 ans, " a déclaré Paula Welander, professeur agrégé de science du système terrestre à la School of Earth de l'Université de Stanford, Sciences de l'énergie et de l'environnement (Stanford Earth), et auteur principal d'une étude décrivant la découverte publiée le 7 octobre dans Actes de l'Académie nationale des sciences .

Grâce à cette découverte, les scientifiques peuvent utiliser avec plus de précision les lipides (ou graisses) trouvés dans les membranes des archées et conservés dans les sédiments de l'océan pour estimer les températures océaniques historiques, dit Welander.

Fermer les écoutilles

En cas de stress, archaea fusionnent leurs membranes cellulaires généralement à double couche en une seule couche. Le rabattement des trappes de cette manière raffermit les membranes, lequel, étant principalement composé de graisse, peut devenir trop souple lorsque la température monte en flèche, comme du beurre laissé sur un comptoir de cuisine.

Certaines archées modifient davantage les structures qui fusionnent leurs couches membranaires en ajoutant des pièces en forme d'anneau qui rendent les membranes encore plus compactes et robustes. Ces adaptations sont utiles du point de vue de la climatologie, puisque les structures de liaison membranaire, ainsi que ces ensembles d'anneaux, se conservent facilement dans les sédiments marins. En examinant les nombres et les types d'anneaux, les climatologues peuvent évaluer la température des eaux de surface où et quand vivaient ces archées. Cette technique a été utilisée comme preuve des mers plus chaudes de l'ère jurassique, datant de plus de 150 millions d'années à l'apogée des dinosaures.

La découverte des protéines impliquées dans la fabrication de ces structures résout certaines incertitudes que les scientifiques ont eues concernant la déduction des températures anciennes à partir des lipides archéens, ce qu'ils appellent les proxys de paléotempérature.

Les climatologues ont supposé qu'un seul groupe d'archées, le Thaumarchaeota, sont responsables de la fabrication de lipides avec des anneaux trouvés dans les océans ouverts et qu'ils ajoutent ces anneaux en réponse aux changements de température de l'eau. Mais si d'autres facteurs environnementaux tels que la salinité et l'acidité déclenchent la production d'anneaux dans d'autres groupes d'archées marines, cela pourrait brouiller la façon dont ils lisent les signaux de température.

Selon la nouvelle étude, les climatologues peuvent pousser un soupir de soulagement. En clouant enfin les protéines en jeu, les chercheurs de Stanford montrent que les Thaumarchaeota sont en effet la source dominante des structures membranaires porteuses d'anneaux dans les eaux océaniques, soutenant les idées précédentes sur les anciennes températures de surface de la mer.

"Avec ces informations critiques maintenant en main, nous pouvons commencer à limiter une partie de l'incertitude concernant ce proxy particulier de paléotempérature basé sur les archées, " a déclaré Welander.

Poursuivre les protéines

Bien qu'elle n'ait été identifiée qu'à la fin des années 1970, les archées ont depuis été reconnues comme constituant un tout nouveau troisième domaine de la vie, aux côtés des bactéries et des eucaryotes plus familiers - les organismes multicellulaires, y compris les humains. Bien que les archées ressemblent superficiellement à des bactéries, les différences biochimiques et reproductives témoignent de leur unicité. De nombreuses archées sont également des extrêmophiles, qui prospèrent dans des environnements austères comme les sources chaudes où aucune autre vie ne peut survivre.

Pour trouver les protéines de fabrication des anneaux, l'équipe de Stanford a expérimenté Sulfolobus acidocaldarius, parmi les archées les moins difficiles à cultiver et à manipuler en laboratoire.

"Cet organisme est l'un des très rares archées à avoir un système génétique où nous pouvons faire le genre de travail que nous aimons faire, " a déclaré Welander.

Son équipe s'est attachée à découvrir quelles protéines permettaient à S. acidocaldarius d'attacher des anneaux à ses structures membranaires. Les chercheurs ont d'abord découvert trois gènes possibles en examinant les génomes des archées qui construisent et ne construisent pas d'anneaux. Ils ont ensuite créé des mutants en laboratoire qui en manquaient, deux ou les trois gènes et, finalement, deux de ces gènes se sont avérés intégrés aux structures cycliques.

Ces gènes n'ont pas été retrouvés dans un autre groupe d'archées partageant des environnements marins avec Thaumarchaeota et ont été considérés comme possibles, source supplémentaire de structures annelées dans les échantillons de sédiments. Avec cette contribution exclue, les estimations de la température de la mer dérivées du proxy de paléotempérature en question semblent plus robustes.

Prendre le monde

Welander a déclaré que les scientifiques peuvent désormais envisager d'étendre les découvertes de l'équipe de Stanford à des régions marines bien échantillonnées du monde entier. Son équipe a choisi un ensemble de données génétiques de l'océan Pacifique nord, et il ne parle donc directement qu'à ce biome particulier. D'autres jeux de données de l'océan Atlantique et de la mer Méditerranée, par exemple, devrait révéler si les Thaumarchaeota sont également responsables de la mise en place des fossiles moléculaires d'intérêt dans ces zones. Ces proxys de paléotempérature pourraient même être étendus aux lacs et autres environnements, Welander a dit, ouvrant encore plus de pages dans les chroniques climatiques de la Terre.

Au-delà des aspects climatologiques des résultats, Welander a noté que comprendre comment les protéines archéennes gèrent le travail obscur de la fusion membranaire pourrait révéler une nouvelle biochimie convaincante pour des applications potentielles dans le monde réel, comme la découverte de médicaments et la science des matériaux.

"Les microbes inventent toutes sortes de biochimies étranges pour faire toutes sortes de réactions étranges, " a déclaré Welander. " Chaque fois que vous pouvez développer cette chimie de ce qui est possible, c'est vraiment excitant du point de vue de la science fondamentale."