Des bactéries arctiques utilisent une voie à l’acétone pour capter le dioxyde de carbone

Une bactérie présente dans les eaux de surface de l’océan Arctique semble utiliser l’acétone dans le cadre d’une voie d’assimilation du carbone qui incorpore également du dioxyde de carbone, selon un article de nature.com. Cette découverte met en évidence une forme inhabituelle de carboxylation chez une population marine photohétérotrophe et suggère que ce processus pourrait aider l’organisme à accroître ses ressources en matériaux nécessaires à sa croissance.

La voie a été détectée dans des échantillons métagénomiques recueillis lors d’une étude allant du nord au sud de l’océan Arctique. Les chercheurs ont relié les gènes concernés à une population de Gammaproteobacteria, Porticoccus arcticus. L’organisme n’a pas été détecté une seule fois : ses séquences génétiques sont apparues à plusieurs reprises dans le cadre d’une étude pluriannuelle fondée sur l’ARN ribosomique 16S et, dans certains échantillons, elles représentaient jusqu’à 9 % de la population mesurée.

Cette présence récurrente suggère que P. arcticus joue un rôle établi dans les écosystèmes marins arctiques, plutôt qu’il ne soit apparu brièvement dans les eaux échantillonnées. L’étude a également examiné des métatranscriptomes, qui indiquent quels gènes sont actifs dans les communautés environnementales. Dans ces données, les gènes de la carboxylase de l’acétone et plusieurs rhodopsines figuraient parmi les gènes de P. arcticus les plus fortement exprimés dans les eaux de surface arctiques pauvres en nutriments.

Un autre usage de la carboxylation

Les carboxylases sont des enzymes qui contribuent à fixer du carbone inorganique, notamment du dioxyde de carbone, sur d’autres molécules. Cette chimie est largement associée aux organismes autotrophes, qui utilisent le dioxyde de carbone pour produire des composés organiques. Ces travaux apportent un nouvel éclairage en fournissant des éléments indiquant qu’une carboxylase peut participer à la dégradation et à l’assimilation d’un composé organique — en l’occurrence, l’acétone.

La voie proposée n’est donc pas décrite comme une simple fixation ordinaire du carbone. Elle associe la dégradation de l’acétone à l’incorporation de dioxyde de carbone. Pour une bactérie vivant dans des eaux oligotrophes, où les nutriments disponibles sont limités, cette combinaison pourrait fournir un moyen supplémentaire de produire les éléments moléculaires nécessaires à la formation de ses cellules. La conclusion de l’étude est que la carboxylation de l’acétone pourrait accroître la capacité biosynthétique des bactéries photohétérotrophes en complétant le métabolisme du carbone organique par du carbone inorganique.

Les éléments de preuve proviennent de la répartition et de l’activité des gènes, plutôt que d’une démonstration directe en laboratoire de l’ensemble de la voie. Les métagénomes ont montré que P. arcticus possède l’appareil génétique correspondant, tandis que les métatranscriptomes ont montré que les gènes de la carboxylase de l’acétone sont très actifs dans l’environnement naturel étudié. Ensemble, ces observations associent cette voie à la vie de la bactérie dans les eaux de surface arctiques.

Un génome rationalisé doté de gènes supplémentaires de détection de la lumière

Le portrait génomique de P. arcticus apporte un autre élément à cette découverte. Comparé à celui d’organismes apparentés du genre Porticoccus, son génome est plus compact et rationalisé. Malgré cette dotation génomique réduite, il conserve un ensemble complet de gènes nécessaires à la carboxylation de l’acétone.

Parallèlement, la bactérie a acquis plusieurs gènes de protéorhodopsine par transfert latéral de gènes. Les protéorhodopsines sont présentées dans l’étude comme faisant partie de l’arsenal génétique de l’organisme associé à la lumière, et la forte expression des gènes de rhodopsine dans les eaux de surface les place, avec la carboxylation de l’acétone, parmi ses activités les plus importantes dans cet environnement.

Cette combinaison est remarquable, car elle réunit deux caractéristiques au sein d’une même population : des gènes permettant d’utiliser des rhodopsines liées à la lumière et une voie qui transforme l’acétone tout en faisant entrer du dioxyde de carbone dans le métabolisme. Les résultats n’établissent pas que les deux systèmes fonctionnent comme une seule séquence biochimique, mais leur forte expression dans la même population arctique met en évidence le profil métabolique particulier de l’organisme.

Pourquoi les données arctiques sont importantes

La détection répétée de P. arcticus dans les relevés d’ARNr 16S réalisés sur une longue période renforce l’importance écologique du résultat. Une voie découverte uniquement dans un fragment génomique isolé fournirait peu d’éléments sur son importance dans l’océan. Ici, l’organisme était présent de manière constante et parfois relativement abondant dans les communautés marines arctiques échantillonnées.

L’étude situe donc la carboxylation de l’acétone dans le fonctionnement plus large du cycle océanique du carbone. Les carboxylases occupent déjà une place centrale dans la nature, car elles assurent la fixation du dioxyde de carbone. Le fait qu’un photohétérotrophe marin puisse en utiliser une lors de la dégradation de l’acétone ajoute une voie possible par laquelle le carbone inorganique entre dans la matière cellulaire.

Comme l’a rapporté nature.com, ces travaux identifient chez des bactéries arctiques un module métabolique qui pourrait les aider à prospérer dans les eaux de surface oligotrophes. Ils montrent également comment les relevés génomiques, les données d’expression génique dans l’environnement et les relevés à long terme des communautés peuvent, ensemble, révéler une forme inattendue de transformation du carbone dans l’océan.