Certains (microbes) l’aiment chaud Understand article

Traduit par: Mehdi Khadraoui. Les sources volcaniques bouillantes foisonnent de microorganismes remarquables. Des applications biotechnologiques de ces êtres microscopiques sont en train de voir le jour.

Lorsque j’étais enfant et visitais le Parc National de Yellowstone dans les années 1990, je me souviens avoir été très emballé à l’idée de voir les couleurs chatoyantes des sources chaudes. J’étais d’autant plus intrigué lorsque j’ai appris que les couleurs provenaient de microorganismes – des êtres vivants qui aiment vivre dans ce genre d’environnements extrêmes. Je trouvais étrange que quelque chose puisse survivre à des températures suffisamment chaudes pour vous brûler sévèrement. De la même façon, j’ai été étonné de découvrir que les enzymes que l’on trouve dans la lessive en poudre proviennent d’organismes qui vivent normalement à des températures extrêmement froides – sous l’eau, à quelques degrés au-dessus de zéro. Il semble que la vie soit capable de prospérer dans des conditions que l’on pensait létales. Plusieurs décennies plus tard, mon amour pour la chimie et ma fascination pour ces organismes m’a mené à les étudier en Islande, mon pays d’adoption.

Que sont les thermophiles?

Le monde divers des microbes s’étend à tout un intervalle de températures, des températures en-dessous du point de congélation de l’eau au point d’ébullition et au-delà. Les microbes qui ont une préférence pour les environnements chauds sont appelés thermophiles (du Grec, « qui aime la chaleur ») et sont une des sortes « d’extrêmophiles » trouvés dans des conditions extrêmes. Les thermophiles ne tolèrent pas simplement la chaleur – ils y prospèrent, avec une croissance optimale à des températures supérieures à 50°C. Ceux qui ont un intervalle de température optimal au-dessus de 70°C sont connus sous le nom d’hyperthermophiles, et ceux qui préfèrent un environnement frais (inférieur à 15°C) sont appelés psychrophiles (voir figure 1).

Graph showing the optimum temperature range of several different microorganisms
Figure 1: Graphique de l’intervalle de température optimal de plusieurs microorganismes, y-compris les thermophiles (en rouge) et les bactéries ordinaires (vert). Clostridium AK1 (jaune) est légèrement thermophile.
Sean Michael Scully/Nicola Graf
Maximum growth rate (optical density): Taux de croissance maximal (densité optique);
Psychrophilic boundary: Limite psychrophile;
Thermophilic boundary: Limite thermophile;
Hyperthermophilic boundary: Limite hyperthermophile;
E. coli CCSC: E. coli CCSC;
Thermoanaerobacterium AK17: Thermoanaerobacterium AK17;
Clostridium AK1: Clostridium AK1;
Paenibacillus VH0107: Paenibacillus VH0107;
Thermoanaerobacter AK15: Thermoanaerobacter AK15

 

Quelques champignons et algues se développent dans des environnements chauds, mais la majorité des thermophiles sont des bactéries ou d’autres organismes tout aussi minuscules : les archées. Ces organismes unicellulaires étaient autrefois classés comme bactéries parce qu’il leur manque un noyau cellulaire. Des études de leur ADN étonnamment complexe ont révélés que les archées sont en fait plus étroitement apparentés aux organismes multicellulaires comme l’être humain qu’aux bactéries. Elles forment l’un des trois domaines (super-règnes) du vivant dans lesquels toutes les formes de vie sont classifiées. Les deux autres sont les bactéries, et les eucaryotes (les organismes avec un noyau cellulaire). Des myriades de types d’archées vivent dans les soupes chimiques bouillantes qui entourent les fumeroles volcaniques des fonds marins. Certains scientifiques pensent que la vie a commencé en de tels endroits, ces thermophiles pourraient donc avoir des origines très anciennes.

Ici, là-bas et partout

Depuis 1966, lorsque les thermophiles ont été découverts pour la première fois dans les sources volcaniques brûlantes de Yellowstone, ils ont été observés dans de nombreux habitats, des eaux profondes aux tas de compost, en passant par les bouilloires ménagères et les bassins refroidissants de réacteurs nucléaires. Ils peuplent même les aliments en boîte de conserve : la bactérie Thermoanaerobacterium saccharolyticus peut survivre au procédé de stérilisation qui tue d’autres microorganismes, et peut ensuite croître lentement à basse température dans la boîte, menant à une accumulation de gaz parfois explosive. Puisque les thermophiles se retrouvent dans une diversité d’environnements, il est raisonnable de penser que leurs spores sont partout, en attente des conditions idéales pour revenir à la vie.

Je suis particulièrement intéressé par les thermophiles qui vivent autour des sites géothermiques tels que les sources chaudes, mares de boue bouillantes, geysers, fumeroles volcaniques ou fumeroles de vapeur sulfureuse appelées solfatares. Ces sites sont éparpillés autour du globe, de l’Italie et l’Islande à Yellowstone aux États-Unis, en passant par le Kamtchatka dans l’Extrême-Orient russe. L’isolation géographique de ces sites permet à des espèces uniques d’évoluer à chacun d’entre eux, bien que certaines espèces thermophiles se retrouvent à plusieurs endroits.

Volcanically heated water provides ideal conditions for thermophiles in Iceland’s many geothermal hot spots
Les eaux volcaniques procurent des conditions idéales pour certains thermophiles des sites géothermiques islandais, comme cette source chaude à Grensdalur.
Sean Michael Scully
 

Un autre aspect intéressant des sites géothermiques comme les sources chaudes est qu’ils possèdent souvent un gradient de température marqué : les zones immergées plus profondes sont plus chaudes, alors que celles qui sont proches des bords du bassin sont plus fraîches. Différentes sortes de thermophiles se répartissent au long de se gradient et y trouvent une niche écologique confortable. Les thermophiles capables de photosynthèse comme les cyanobactéries vivent à l’extrémité plus froide du gradient, alors que ceux qui sont moins colorés sont confinés aux extrêmes chauds. Le résultat est un « tapis microbien » multicolore sur la roche, chaque zone colorée représentant la biochimie typique des organismes présents, du jaune-vert des thermophiles photosynthétiques au diverses nuances de ceux qui obtiennent de l’énergie en métabolisant des composés d’hydrogène, de fer ou de soufre. Un exemple connu de tapis microbiens colorés est visible à la Grand Prismatic Spring à Yellowstone, mais les mêmes phénomènes sont observables en Islande et ailleurs.

Grand Prismatic Spring in Yellowstone Park, USA.
Grand Prismatic Spring au Parc National de Yellowstone, États-Unis. Les couleurs sont dues aux tapis microbiens formés par des thermophiles.
G_K_N/Flickr, CC BY-ND 2.0

Des enzymes résistantes à la chaleur

Les thermophiles doivent leur capacité de survie à leurs enzymes – des molécules responsables de nombreuses réactions chimiques de la vie, agissant comme des catalyseurs à l’intérieur des cellules. Les enzymes sont des protéines, et la plupart des protéines sont détruites par la chaleur. Par exemple, lors de la cuisson d’un œuf, la chaleur dénature les protéines, ce qui les déplie et les fait changer de forme de manière permanente. Par contraste, les enzymes de thermophiles sont stables à haute température, leur permettant non seulement de continuer à travailler, mais aussi de travailler plus vite que des enzymes normales, puisque des températures plus chaudes signifient aussi des taux de réactions plus élevés.  

Taq polymerase enzyme
L’enzyme Taq polymérase,
dérivée d’une bactérie
thermophile et utilisée pour
répliquer l’ADN

ibreakstock/Shutterstock.com
 

L’un des exemples célèbres d’une enzyme résistante à la chaleur est la Taq polymérase, nommée d’après Thermus aquaticus, un thermophile de Yellowstone. L’enzyme Taq est à présent utilisée dans les laboratoires du monde entier pour la Réaction en Chaine par Polymérase (PCR, de l’anglais Polymerase Chain Reaction), qui permet de répliquer les molécules d’ADN à partir de petits échantillons. Avant la Taq, cette procédure était coûteuse et compliquée, avec des cycles répétés de réchauffement et de refroidissement, nécessitant l’ajout de nouvelles enzymes (une polymérase qui était dénaturée par la chaleur) à chaque étape de refroidissement. En utilisant la Taq, le processus est automatisé et se déroule à haute température, avec une quantité minime de l’enzyme. En quelques heures, la PCR avec la Taq polymérase peut copier une seule molécule d’ADN en 100 milliards d’exemplaires. Ainsi, un échantillon minuscule de fluides corporels sur une scène de crime peut produire suffisamment d’ADN pour créer une empreinte génétique.

Bien que la PCR Taq a révolutionné la biologie moléculaire et les sciences criminelles, les enzymes thermophiles ne sont pas seulement utiles aux laboratoires de génétique. Elles trouvent aussi leur utilité en industrie, de l’industrie alimentaire à la production de tissus. Par exemple, le sirop de maïs à haute teneur en fructose utilisé dans les boissons sucrées est concocté en chauffant une solution visqueuse d’amidon de maïs à la température d’ébullition, puis en la digérant avec une succession d’enzymes de thermophiles résistantes à la chaleur. Maintenir la solution à haute température procure divers avantages, en plus d’accélérer la réaction : cela rend le liquide moins visqueux et donc plus simple à manipuler, et élimine les microorganismes qui pourraient le faire tourner.

Un élan pour les biocarburants

Élaborer des boissons sucrées plus efficacement n’est pas forcément un grand pas pour notre société, mais il y a d’autres applications pour les thermophiles qui pourraient être d’une grande aide pour la planète. La plus importante est sans doute l’utilisation potentielle des thermophiles pour produire des biocarburants (Scully & Orlygsson, 2014).

Mis à part les carburants fossiles, le matériau organique le plus abondant sur Terre est la cellulose – l’hydrate de carbone fibreux et résistant synthétisé par les plantes pour soutenir leurs parois cellulaires. La cellulose est partout autour de nous : le bois, le coton et le papier en sont principalement composés, ainsi que tout type de déchet végétal, de la sciure aux résidus de culture comme le chaume. Si une méthode pour convertir la cellulose efficacement en biocarburant venait à être inventée, cela procurerait une alternative aux carburants fossiles neutre en carbone.

Plusieurs thermophiles sont capables de dégrader la cellulose pour produire des sucres ou des hydrates de carbone légèrement plus gros appelés oligosaccharides (une chaîne de molécules de sucres). Ces produits pourraient être fermentés pour produire de l’alcool ou de l’hydrogène, les deux pouvant être utilisés comme biocarburants – et les thermophiles peuvent aussi apporter leur aide pour cette deuxième étape. Bien que la levure soit utilisée pour produire de l’alcool à partir de sucre, les thermophiles peuvent fermenter une plus grande variété de sucres. Par exemple, la bactérie Thermoanaerobacter ethanolicus peut digérer de nombreux sucres qui composent la cellulose, tels que le xylose, le galactose et le mannose, en produisant de l’alcool (éthanol).

Les bactéries Clostridium thermocellum et Caldicellulosiruptor saccharolyticus peuvent même se charger de ces deux étapes elles-mêmes, décomposant la cellulose directement et fermentant le glucose qui en résulte pour donner un mélange de produits comprenant de l’hydrogène, de l’acide acétique et de l’éthanol.

De telles espèces sont le sujet de recherches sur les biocarburants, mais il y a des difficultés à surmonter. L’un des défis est de trouver un thermophile qui peut tolérer de hauts niveaux d’éthanol sans y succomber, une étape qui pourrait nécessiter une modification génétique. Une autre option serait de retirer constamment l’éthanol produit dans une culture continue, l’empêchant ainsi d’atteindre un niveau toxique.

Perspectives d’avenir

Le potentiel technologique des organismes thermophiles est énorme, aussi bien que leur potentiel commercial. En 1991, l’entreprise américaine de biotechnologie qui a développé la PCR avec la Taq polymérase a vendu son brevet pour 300 millions de dollars, mais les recettes n’ont jamais atteint le Parc National de Yellowstone, la source originale de l’enzyme. Aujourd’hui, des règles strictes dictent ce que les « bio-orpailleurs » ont le droit de prendre du site et garantissent que les futurs profits dérivés de ces ressources génétiques soient partagés. De telles mesures assurent que ces splendides écosystèmes si uniques survivent et procurent de futures utilisations biotechnologiques – et inspirent les futures générations de scientifiques en herbe.

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References

Resources

  • Consultez la  page Facebook de l’auteur sur les thermophiles anaérobiques (en anglais).
  • Lisez-en plus sur les « bestioles du chaud » et comment les bactéries thermophiles peuvent être utilisées pour produire de l’hydrogène comme carburant (en anglais). Voir :

Author(s)

Sean Michael Scully est maître de conférence à l’Université d’Akureyri au nord de l’Islande. Après avoir commencé sa carrière scientifique aux États-Unis et travaillé dans l’industrie chimique, il a émigré en Islande. Ses spécialités sont la chimie organique et la microbiologie. Ses recherches se concentrent sur les applications biotechnologiques de bactéries extrêmophiles et de leurs enzymes.


Review

Cet article pousse les lecteurs à en apprendre plus sur les organismes microscopiques appelés thermophiles et leur extraordinaire potentiel technologique. Les thermophiles sont l’exception à la règle lorsqu’il s’agit d’activité enzymatique. L’article peut donc être utilisé comme un point de départ pour des sujets d’enseignement comme la fonction enzymatique, le métabolisme cellulaire, et la microbiologie et ses applications.

Cet article peut aussi être utilisé comme exercice de compréhension, avec des questions comme :

  • Comment l’environnement physique d’une cellule influence-t-il son activité enzymatique ?
  • Comment peut-on utiliser les bactéries thermophiles pour protéger notre planète contre l’effet de serre ?

Il pourrait aussi être la base d’un cours d’arts visuels, avec des photos colorées de thermophiles, pour inspirer chez les élèves une image inhabituelle de la beauté de la nature.


Alina Giantsiou-Kyriakou, enseignante en biologie, Lycée de Livadia, Larnaca, Chypres




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