Cellulose : des arbres aux cadeaux Understand article

Traduit par Maurice Cosandey. La molécule qui permet aux arbres de tenir debout est aussi à l’origine de la première vie pluricellulaire, et permet enfin de faire de superbes cadeaux.

Quelle est  la molecule laplus abondante sur Terre ? Serait-ce un polymère artificiel ? Non, cette molecule est d’origine végétale, et on la rencontre en se promenant sous bois, car cette molécule est la cellulose. Et c’est elle que produisent les plantes pour construire leur propre structure spatiale.

Sur Terre, les plantes produisent au moins 100 milliards (1011) tonnes de cellulose par année, ce qui au moins mille fois plus que tous les plastiques produits dans le même temps. De plus, cette cellulose est extrêmement utile. Le papier sur lequel est imprimé cet article est à base de cellulose, comme le sont aussi les T-shirts et autres jeans, car le coton est une forme particulière de cellulose. Nos meubles sont en général faits de bois, qui est lui-même constitué en majorité de cellulose. Les chalets sont en bois. Et bien des gens utilisent le bois comme source de chaleur pour chauffer leurs maisons, imitant en cela la méthode de chauffage de nos ancêtres de la préhistoire. 

Le bois est fait surtout de cellulose, qui est la molécule la plus abondante du monde.
Joseph/Flicker

Qu’est-ce que c’est, la cellulose ?

Malgré sa taille gigantesque, la cellulose est une molécule étonnamment simple. Elle est constituée de molécules du sucre glucose. Il suffit parfois que quelques milliers de molécules de glucose accrochées en chaîne pour faire une seule molécule de cellulose. Le glucose lui-même est synthétisé par les plantes à partir de dioxyde de carbone et de lumière, grâce à la photosynthèse.

Une macromolecule de cellulose consiste en un faisceau de chaînes appelées glucane. Une chaîne de glucane est faite de nombreuses molécules de cellobiose, elle-même formée de deux molécules de glucose (figure 1) . Les chaînes de glucane sont linéaires, et elles s’associent en faisceau par des liaisons hydrogène assez faibles. Ce sont ces liaisons faibles qui donnent à la cellulose ses propriétés. Par exemple, elles aident la cellulose à repousser l’eau, et donc à maintenir leur forme aux végétaux en présence d’eau. De plus, elles rendent la cellulose résistantes aux acides et bases. (Ross et al., 1991).

Figure 1:  Structure chimique de la cellulose, faite de molecules de glucose. 1 : molécule de glucose ; 2 : cellobiose (deux molécules de glucose reliées par des ponts oxygène, en rouge) ; 3 : chaîne de glucane ; 4 : partie d’une molécule de cellulose  avec les liaisons hydrogène (en bleu) qui relient les chaînes de glucane. (Adapté de from worthington-biochem.com, megazyme.com) 

La cellulose n’est pas seulement faite par les plantes

On trouve de la cellulose partout dans le monde vivant, et pas seulement dans les plantes. Certains champignons ont une membrane faite de cellulose, bien qu’en general cette membrane soit faite de chitine. Les algues, les amibes et les invertébrés marins appelés tunicates produisent aussi de la cellulose. Chez certains poulpes, la cellulose aide les larves à se métamorphoser en adultes, en formant une partie de leur tunique, qui est une sorte d’exosquelette. Les amibes accumulent de la cellulose dans des sortes de tiges en forme de champignons, servant de réserves de nourriture si tout à coup la nourriture se faisait rare.

De manière plus surprenante, il existe des bactéries qui produisent de la cellulose (Ross et al., 1991; Zogaj et al., 2001). Le séquençage de leur génome a montré que cette capacité se trouve chez de nombreuses bactéries, depuis les formes les plus anciennes jusu’à celles qui colonisent le tract gastrointestinal, comme les variétés très connues E. Coli et les salmonelles (Escherichia coli, Salmonella typhimurium)  (Römling & Galperin, 2015). 

La cellule du corail contient un squelette externe qui contient de la cellulose
Photographie Stefan Siebert
 

Pourquoi est-ce que les bactéries produisent de la cellulose ? Cette molécule, qui est si intimement associée aux propriétés de rigidité structurelle des plantes, aide les bactérie à s’adapter à l’environnement. Elle aide les bactéries associées aux plantes à s’attacher à leur surface. Et si ces bactéries sont pathogènes, elles se lient facilement aux cellules hôtes à qui elles transmettent la maladie. Certaines bactéries vivant en eau salée, comme les cyanobactéries et les espèces thermophiles, produisent de la cellulose qui les protège de l’asséchement, et des autres menaces environnementales comme les rayons ultra-violets et les désinfectants.

En fait, les cyanobactéries pourraient bien être à l’origine de la capacité des plantes à produire de la cellulose. Au cours de l’évolution, ces bactéries se sont incorporées aux plantes sous forme de chloroplastes, en transmettant le code génétique de la cellulose. Ces gènes se trouvent maintenant dans le génome des plantes plants (Nobles et al., 2001). Ce phénomène s’explique par la théorie endosymbiotique : il y a un milliard d’années, les cyanobactéries ont été capturées par les ancêtres des algues actuelles, qui se sont ensuite diversifiés pour former les nombreuses espèces  photosynthétiques des plantes et des algues. Cette théorie s’appuie sur le fait que, bien que les chloroplastes d’aujourd’hui ont perdu la majorité de leurs gènes d’origine, le gène ancestral de l’enzyme permettant de produire de la cellulose a été transféré au génome de la plante, et montre une étrange ressemblance avec le gène de la cyanobactérie actuelle. 

L’agent pathogène gastrointestinal  Salmonella typhimurium produit des films de cellulose qui recouvrent ses cellules.
U Römling

Les contacts par biofilms. 

One of the main reasons that bacteria make cellulose is to produce ‘biofilms’ – cellulose films that form a matrix outside bacterial cells and help their multicellular communities to stick together. These bacterial communities were the earliest form of multicellular life on Earth, dating back to around 3.1 billion years ago. Today, there are many micro-organisms that show a similar multicellular lifestyle, which functions remarkably like tissue formation in higher organisms and is thought to make more efficient use of nutrients.

L’une des raisons qui pousse les bactéries à faire de la cellulose est la production d’une enveloppe externe dite “biofilm”, qui permet aux communités multicellulaires de s’agglomérer ensemble. Ces communautés bactériennes sont les plus anciennes formes de vie pluricellulaire connues sur Terre, puisqu’elles datent d’il y a 3.1 milliard d’années. Aujourd’hui, il existe beaucoup de microorganismes qui fonctionnent ainsi, ce qui rappelle la formation des tisus dans les organismes supérieurs.(Pontes et al., 2015; Ahmad et al., 2016).

La cellulose bactérielle est-elle le matériau de demain ?

Le thé de kombucha
fermenté, pas encore très
connu, est fait de grains de
cellulose bactérienne.

Römling & Galperin (2015)

La cellulose bactérienne possède des propriétés que celle des plantes n’a pas. Par exemple, elle est spécialement pure. Elle a aussi une très grande surface spécifique et une énorme capacité de rétention d’eau. C’est aussi un nanomatériau. La cellulose bactérienne semble donc bien promise à un développement commercial, même si ses applications commencent juste à être explorées. On peut citer par exemple :

  • La “nata de coco” est une douceur populaire et pauvre en calories, en provenance des Philippines. Elle est faite de cellulose bactérienne issue de la fermentation du lait de coco.
  • Le thé de kompucha, d’origine asiatique, est fait de grains de cellulose bactérienne renfermant diverses bactéries et levures. Sensé avoir des propriétés médicinales, sa popularité se répand peu à peu dans le monde.
  • En médecine, la cellulose bactérienne
  • forme un tissu solide, qui sert à panser les blessures chroniques. Et comme elle est biodégradable et biocompatible, elle est promise à d’autres emplois, comme la reconstruction des tissus endommagés, car elle fournit un squelette sur lequel les cellules vivantes peuvent adhérer et se développer. 

Il se pourrait que cet ancienne substance soit en voie de devenir le supermatériau de l’avenir, dans lequel les bactéries nous aideraient au lieu de nous nuire.

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References

Resources

Author(s)

Ute Römling est Professeur de physiologie microbienne médicale de l’Institut Karolinska de Stockholm, Suède.  Elle a enseigné la biochimie à l’Université technique de Hanovre, Allemagne. Mais elle se considère comme une microbiologiste autodidacte. Elle s’est impliquée dans l’éducation scientifique dans toute sa carrière.


Review

Cet article constitue une excellente approche fondamentale. Il pourrait être lié à une leçon sur la structure et les fonctions des biomolécules. Le fait que la cellulose n’est pas seulement produite par des plantes, mais aussi par les bactéries, pourrait amener à une discussion ou une recherche sur les biofilms, et sur la nature de la virulence bactérienne. Les étudiants pourraient être chargés de se renseigner sur la cellulose bactérienne et son usage médical ou alimentaire, et de présenter le résultat de leur recherche devant toute la classe, quitte à en faire un projet personnel à domicile. De plus, on pourrait leur demander de répondre à des questions comme :

  • Quelle est l’importance de la cellulose pour les tunicates ?
  • Quel rôle joue la cellulose pour les bactéries dans les sources salées ?
  • Expliquer le role d’un biofilm
  • Que signifie le terme “virulence” ?

Dr. Shelley Goodman, maître de sciences appliquées, GB.




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