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Il y a trente-deux ans, des microbiologistes en Suisse ont découvert un mystère au fond de la vase du lac de Zurich: une bactérie qui produisait naturellement une composante d’essence appelée toluène. Maintenant, les chercheurs ont découvert comment certaines bactéries parviennent à produire de l’hydrocarbure toxique. « C’est un très bon morceau de science », explique Alfred Spormann, un ingénieur chimiste à l’Université de Stanford à Palo Alto, en Californie, qui n’était pas impliqué dans ce travail. « Je pense que c’est un exemple formidable de l’utilisation de la métagénomique et de la biochimie pour en apprendre davantage sur les organismes, qui autrement seraient difficiles à étudier. »

La bactérie Tolumonas auensis

La découverte du lac de Zurich concernait la bactérie appelée Tolumonas auensis, et produisait de l’hydrocarbure comme combustible. Tolumonas n’est pas la seule bactérie qui fabrique des hydrocarbures, mais son sous-produit est étrange car le toluène est très énergétique, ce qui signifie qu’un organisme doit dépenser beaucoup d’énergie pour le produire, ce sous-produit est également toxique. Mais cette bactérie est particulièrement difficile à cultiver et à étudier en laboratoire, avec les outils habituels de la biologie moléculaire.

Il y a quelques années, Harry Beller, un microbiologiste de l’environnement au Joint BioEnergy Institute (JBEI) à Emeryville, en Californie, a décidé de rouvrir ce dossier. Son équipe a d’abord essayé de recréer l’expérience de 1986, dans laquelle les chercheurs ont découvert que Tolumonas auensi fabrique fabriquait du toluène. Mais après plusieurs tentatives, l’équipe de Beller a été éliminée. Ainsi, il a appelé Friedrich Jüttner, le chef de groupe du papier naturel, pour demander le conseil. Jüttner a expliqué à Beller de ne pas s’inquiéter, qu’il pourrait probablement trouver un organisme similaire faisant la même chose dans les sédiments de n’importe quel lac.

D’autres échantillons

Alors Beller et ses collègues ont conduit 13 kilomètres de JBEI à Tilden Park dans la ville voisine de Berkeley, où ils ont prélevé des échantillons d’un petit réservoir appelé Jewel Lake. De retour à leur laboratoire, ils ont trouvé que les explications de Jüttner étaient prémonitoires: les échantillons du lac ont enregistré bel et bien des traces de toluène. Ils ont trouvé des traces similaires dans des échantillons d’une usine de traitement des eaux usées, se trouvant à proximité.

Beller et ses collègues ont ensuite divisé leurs échantillons de boue et d’eaux usées en deux présections, ceux qui ne contenaient pas de signes de l’hydrocarbure et ceux en contenaient. Après plusieurs analyses génomiques, ils ont créé une bibliothèque de 600 gènes candidats probables à partir des deux échantillons. Des analyses antérieures avaient suggéré que les gènes responsables de la fabrication du toluène étaient probablement des enzymes radicalaires glycyles (GRE), une petite famille de protéines qui effectuent d’autres réactions chimiques. Ils viennent toujours jumelés avec une enzyme activatrice.

L’équipe de Beller a donc cherché une tel ensemble provenant des données de l’échantillon d’eaux usées, et ils ont trouvé la phénylacétate decarboxylase GRE (Phd B) et son activateur, «Nous l’avons cherché dans la culture du lac et nous l’avons trouvé là aussi. » nous explique Beller.

Une autre bactérie pour confirmer cette découverte

Pour confirmer qu’il s’agissait bien des protéines productrices de toluène, l’équipe de Beller a intégré les gènes dans des bactéries Escherichia coli qui sont plus faciles à cultiver. Les chercheurs ont purifié les protéines et les ont ajoutées à un flacon contenant de l’acide phénylacétique, le matériau de départ normal pour le Phd B. Mais dans ce cas, l’acide phénylacétique a été fait en utilisant du carbone 13, un isotope rare du carbone. Les chercheurs ont découvert que les enzymes produisaient du toluène, rapportent-ils cette semaine dans Nature Chemical Biology. Le résultat confirme que ces enzymes sont celles qui se trouvent dans la vase, et vraisemblablement chez Tolumonas auensi.

Pourquoi produire du toluène ?

Alors, pourquoi les microbes produisent-ils du toluène ? Ils pourraient utiliser le composé toxique pour repousser les bactéries concurrentes, nous explique Beller. Une explication plus probable, cependant, serait que la production de toluène crée de l’énergie pour ce microbe unicellulaire. La substance chimique du métabolisme cellulaire, l’adénosine triphosphate, est produite seulement après que les protons ont été éjectés hors de la cellule et dans son environnement, établissant un gradient de pH à travers la membrane cellulaire. Parce que la production de toluène éjecte efficacement les protons de la cellule, Beller soupçonne que le même système produisant de l’énergie pourrait également fonctionner en sens inverse.

Quelle que soit l’explication, Beller nous explique que lui et ses collègues travaillent maintenant à l’ingénierie d’autres organismes facilement cultivés pour fabriquer du toluène, car cela pourrait nous permettre de découvrir des microbes qui synthétiseraient une composante clé de l’essence. Mais puisque le toluène dérivé du pétrole est peu coûteux, celui produit par cette bactérie ne trouverait aucune place sur le marché des hydrocarbures. Mais au final, arrivé à résoudre ce mystère, est peut-être la plus grande récompense de leur travail.

[via Science]