Une illustration numérique inspirée des archées mangeuses de méthane et des Borgs qui les assimilent. Crédit : Jenny Nuss/Berkeley Lab
Un type de transfert nouvellement découvert
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>ADN[{“attribute=””>DNA structure avec un nom de science-fiction semble jouer un rôle dans l’équilibrage du méthane atmosphérique.
Dans Star Trek, les Borgs sont un collectif impitoyable à l’esprit de ruche qui assimile d’autres êtres dans le but de prendre le contrôle de la galaxie. Ici, sur la planète Terre non fictive, les Borgs sont des paquets d’ADN qui pourraient aider les humains à lutter contre le changement climatique.
L’année dernière, une équipe de scientifiques a découvert des structures d’ADN dans un microbe consommateur de méthane appelé Méthanoperedens qui semblent suralimenter le taux métabolique de l’organisme. Ils ont nommé les éléments génétiques “Borgs” parce que l’ADN qu’ils contiennent contient des gènes assimilés de nombreux organismes. Dans une étude publiée le 19 octobre dans la revue La nature, les chercheurs, dirigés par Jill Banfield, décrivent la curieuse collection de gènes au sein de Borgs. Ils commencent également à étudier le rôle que ces paquets d’ADN jouent dans les processus environnementaux, tels que le cycle du carbone.
« Imaginez une seule cellule capable de consommer du méthane. Maintenant, vous ajoutez des éléments génétiques dans cette cellule qui peuvent consommer du méthane en parallèle et ajoutez également des éléments génétiques qui donnent à la cellule une plus grande capacité. Cela crée essentiellement une condition pour la consommation de méthane sur les stéroïdes, si vous voulez. — Kenneth Williams
Premier contact
Méthanoperedens sont un type d’archaea (organismes unicellulaires qui ressemblent à des bactéries mais représentent une branche distincte de la vie) qui décomposent le méthane (CH4) dans les sols, les eaux souterraines et l’atmosphère pour soutenir le métabolisme cellulaire. Bien que Méthanoperedens et d’autres microbes consommateurs de méthane vivent dans divers écosystèmes à travers le monde, on pense qu’ils sont moins courants que les microbes qui utilisent
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>photosynthèse[{“attribute=””>photosynthesis, oxygène ou fermentation pour l’énergie. Cependant, ils jouent un rôle démesuré dans les processus du système terrestre en éliminant le méthane – le gaz à effet de serre le plus puissant – de l’atmosphère. Le méthane emprisonne 30 fois plus de chaleur que le dioxyde de carbone et on estime qu’il est responsable d’environ 30 % du réchauffement climatique d’origine humaine. Le gaz est émis naturellement par des processus géologiques et par des archées génératrices de méthane ; cependant, les processus industriels rejettent dans l’atmosphère du méthane stocké en quantités inquiétantes.
Banfield est chercheur à la faculté Laboratoire national Lawrence de Berkeley (Berkeley Lab) et professeur de sciences de la Terre et des planètes et de sciences, politiques et gestion de l’environnement au Université de Californie, Berkeley (UC Berkeley). Elle étudie comment les activités microbiennes façonnent les processus environnementaux à grande échelle et comment, à leur tour, les fluctuations environnementales modifient les microbiomes de la planète. Dans le cadre de ce travail, elle et ses collègues échantillonnent régulièrement des microbes dans différents habitats pour voir quels gènes intéressants les microbes utilisent pour leur survie, et comment ces gènes pourraient affecter les cycles mondiaux d’éléments clés, tels que le carbone, l’azote et le soufre. L’équipe examine les génomes dans les cellules ainsi que les paquets portables d’ADN connus sous le nom d’éléments extra-chromosomiques (ECE) qui transfèrent les gènes entre les bactéries, les archées et les virus. Ces éléments permettent aux microbes d’obtenir rapidement des gènes bénéfiques de leurs voisins, y compris ceux qui ne sont que de loin apparentés.
Jill Banfield et Kenneth Williams prélèvent un échantillon d’eau de l’East River dans le Colorado pour étudier la vie microbienne de l’écosystème. Crédit : Roy Kaltschmidt/Berkeley Lab
Les scientifiques ont découvert la preuve d’un tout nouveau type d’ECE en étudiant Méthanoperedens échantillonné à partir du sol d’une mare saisonnière en Californie. Contrairement aux brins circulaires d’ADN qui composent la plupart des plasmides, le type d’élément extra-chromosomique le plus connu, les nouveaux ECE sont linéaires et très longs – jusqu’à un tiers de la longueur de l’ensemble Méthanoperedens génome. Après avoir analysé des échantillons supplémentaires de sols souterrains, d’aquifères et de lits de rivières en Californie et au Colorado contenant des archées consommatrices de méthane, les chercheurs ont découvert un total de 19 ECE distincts qu’ils ont surnommés Borgs. À l’aide d’outils avancés d’analyse du génome, l’équipe a déterminé que de nombreuses séquences au sein des Borgs sont similaires aux gènes métabolisant le méthane au sein de l’actuel Méthanoperedens génome. Certains des Borgs encodent même toute la machinerie cellulaire nécessaire pour manger du méthane par eux-mêmes, tant qu’ils sont à l’intérieur d’une cellule qui peut exprimer les gènes.
« Imaginez une seule cellule capable de consommer du méthane. Maintenant, vous ajoutez des éléments génétiques dans cette cellule qui peuvent consommer du méthane en parallèle et ajoutez également des éléments génétiques qui donnent à la cellule une plus grande capacité. Cela crée essentiellement une condition pour la consommation de méthane sur les stéroïdes, si vous voulez », a expliqué le co-auteur Kenneth Williams, scientifique principal et collègue de Banfield dans le domaine des sciences de la Terre et de l’environnement du Berkeley Lab. Williams a mené des recherches sur le site de Rifle, au Colorado, où le Borg le mieux caractérisé a été récupéré, et est également scientifique en chef sur le terrain d’un site de recherche sur l’East River, près de Crested Butte, au Colorado, où une partie de l’échantillonnage actuel de Banfield a lieu.
Le site d’East River fait partie du Domaine d’intérêt scientifique de la fonction de bassin versant du ministère de l’Énergie, un projet de recherche multidisciplinaire mené par Berkeley Lab qui vise à relier la microbiologie et la biochimie à l’hydrologie et aux sciences du climat. “Notre expertise rassemble ce qui est souvent considéré et traité comme des domaines d’investigation complètement disparates – la grande science qui relie tout, des gènes jusqu’aux bassins versants et aux processus atmosphériques.”
La résistance est futile un désavantage
Banfield et ses collègues chercheurs de l’Institut de génomique innovante de l’UC Berkeley, dont la co-auteure et collaboratrice de longue date Jennifer Doudna, émettent l’hypothèse que les Borgs pourraient être des fragments résiduels de microbes entiers qui ont été engloutis par Méthanoperedens pour aider le métabolisme, de la même manière que les cellules végétales exploitaient des microbes photosynthétiques autrefois libres pour obtenir ce que nous appelons maintenant des chloroplastes, et comment une ancienne cellule eucaryote consommait les ancêtres des mitochondries d’aujourd’hui. Sur la base des similitudes dans les séquences, la cellule engloutie aurait pu être un parent de Méthanoperedensmais la diversité globale des gènes trouvés dans les Borgs indique que ces packages d’ADN ont été assimilés à partir d’un large éventail d’organismes.
Peu importe l’origine, il est clair que les Borgs existent aux côtés de ces archées, faisant la navette entre les gènes, depuis très longtemps.
Notamment, certains Méthanoperedens ont été trouvés sans Borgs. Et, en plus des gènes reconnaissables, les Borgs contiennent également des gènes uniques codant pour d’autres protéines métaboliques, des protéines membranaires et des protéines extracellulaires presque certainement impliquées dans la conduction électronique nécessaire à la génération d’énergie, ainsi que d’autres protéines qui ont des effets inconnus sur leurs hôtes. Jusqu’à ce que les scientifiques puissent cultiver Méthanoperedens dans un environnement de laboratoire, ils ne sauront pas avec certitude quelles capacités confèrent les différents Borgs, pourquoi certains microbes les utilisent et pourquoi d’autres non.
Une explication probable est que les Borgs agissent comme un casier de stockage pour les gènes métaboliques qui ne sont nécessaires qu’à certains moments. En cours recherche sur la surveillance du méthane a montré que les concentrations de méthane peuvent varier considérablement tout au long de l’année, culminant généralement à l’automne et chutant aux niveaux les plus bas au début du printemps. Les Borgs offrent donc un avantage concurrentiel aux microbes mangeurs de méthane comme Méthanoperedens pendant les périodes d’abondance où il y a plus de méthane que leur machinerie cellulaire native ne peut se décomposer.
Les plasmides sont connus pour servir un objectif similaire, propageant rapidement des gènes de résistance aux molécules toxiques (comme les métaux lourds et les antibiotiques) lorsque les toxines sont présentes à des concentrations suffisamment élevées pour exercer une pression évolutive.
“Il est prouvé que différents types de Borgs coexistent parfois dans le même hôte Méthanopréredènes cellule. Cela ouvre la possibilité que les Borgs puissent propager des gènes à travers les lignées », a déclaré Banfield.
Exploration audacieuse de l’univers (microbien)
Depuis la publication de leur article en prépublication l’année dernière, l’équipe a commencé des travaux de suivi pour mieux comprendre comment les Borgs peuvent affecter les processus biologiques et géologiques. Certains chercheurs passent au peigne fin des ensembles de données de matériel génétique d’autres micro-organismes, à la recherche de preuves que les Borgs existent en association avec d’autres espèces.
Pendant que ses collègues utilisent des méthodes en laboratoire, la co-auteure Susan Mullen, étudiante diplômée du laboratoire de Banfield, se mouillera les pieds avec un travail de terrain très pittoresque. Elle a récemment lancé un projet visant à échantillonner des microbes dans les plaines inondables de l’East River tout au long de l’année afin d’évaluer comment les changements saisonniers de l’abondance des Borgs et d’autres microbes connus pour être impliqués dans le cycle du méthane sont corrélés aux flux saisonniers de méthane.
Selon les auteurs, des années plus tard, des microbes soigneusement cultivés remplis de Borgs pourraient être utilisés pour réduire le méthane et freiner le réchauffement climatique. Tout cela profite au collectif – la vie sur Terre.
Référence : Basem Al-Shayeb, Marie C. Schoelmerich, Jacob West-Roberts, Luis E. Valentin-Alvarado, Rohan Sachdeva, Susan Mullen, Alexander Crits-Christoph, Michael J. Wilkins, Kenneth H. Williams, Jennifer A. Doudna et Jillian F. Banfield; La nature.
DOI : 10.1038/s41586-022-05256-1
