Des scientifiques ont découvert le premier organite fixateur d'azote

Les manuels de biologie modernes affirment que seules les bactéries sont capables de prélever l’azote de l’atmosphère et de le transformer en une forme habitable. Les plantes qui fixent l’azote, comme les légumineuses, le font en hébergeant des bactéries symbiotiques dans leurs nodules racinaires. Mais la dernière découverte vient bouleverser cette règle.

Dans deux articles récents, une équipe internationale de scientifiques décrit le premier organite connu fixant l’azote à l’intérieur d’une cellule eucaryote. L'organite est le quatrième exemple dans l'histoire de l'endosymbiose primaire, le processus par lequel une cellule procaryote est engloutie par une cellule eucaryote et évolue au-delà de la symbiose pour devenir un organite.

« Il est très rare que des organites résultent de ce genre de chose », a déclaré Tyler Cole, chercheur postdoctoral à l'UC Santa Cruz et premier auteur de l'un des deux articles récents. « La première fois que nous avons pensé que cela se produisait, cela donnait naissance à toutes les formes de vie complexes. Tout ce qui est plus complexe qu'une cellule bactérienne doit son existence à cet événement », a-t-il déclaré, faisant référence aux origines des mitochondries. « Il y a environ un milliard d'années, cela s'est reproduit avec les chloroplastes, et cela nous a donné des plantes », a déclaré Cole.

Un troisième exemple bien connu concerne un microbe de type chloroplaste. La dernière découverte est le premier exemple d’un organite fixateur d’azote, que les chercheurs appellent nitroplaste.

Un mystère vieux de plusieurs décennies

La découverte de l'organelle a demandé un peu de chance et des décennies de travail. En 1998, Jonathan Zahr, professeur distingué de sciences marines à l'Université de Californie à Santa Cruz, a découvert une courte séquence d'ADN provenant de ce qui semblait provenir d'une cyanobactérie fixatrice d'azote inconnue dans l'eau de mer du Pacifique. Zahr et ses collègues ont passé des années à étudier l'objet mystérieux, qu'ils ont baptisé UCYN-A.

Pendant ce temps, Kyoko Hagino, paléontologue à l'Université de Kochi au Japon, essayait activement de cultiver des algues. Il s’est avéré qu’il s’agissait de l’organisme hôte d’UCYN-A. Il a fallu plus de 300 expéditions d'échantillonnage et plus d'une décennie, mais Hagino a finalement réussi à cultiver les algues, permettant à d'autres chercheurs de commencer à étudier ensemble l'UCYN-A et son hôte d'algues marines en laboratoire.

Pendant de nombreuses années, les scientifiques ont considéré UCYN-A comme un endosymbiote étroitement lié aux algues. Mais les deux articles récents suggèrent que UCYN-A a co-évolué avec son ancien hôte symbiotique et répond désormais aux critères d'un organite.

Origines biologiques

Dans un article publié dans cellule En mars 2024, Zahr et ses collègues du MIT, de l'Instituto de Ciencia de Barcelona et de l'Université de Rhode Island ont montré que le rapport de volume entre l'UCYN-A et leurs hôtes algues est similaire pour différentes espèces d'algues euphytes marines. Prarodosphaera bigeloi.

Les chercheurs utilisent un modèle pour démontrer que la croissance des cellules hôtes et l'UCYN-A sont contrôlées par l'échange de nutriments. Leurs processus métaboliques sont liés. Cette synchronisation des taux de croissance a conduit les chercheurs à qualifier l’UCYN-A de « semblable à un organite ».

« C'est exactement ce qui se passe avec les organites », a déclaré Zahr. « Si vous regardez les mitochondries et les chloroplastes, c'est la même chose : ils se développent avec la cellule. »

Mais les scientifiques n’ont pas qualifié l’UCYN-A d’organite avec certitude jusqu’à ce qu’ils confirment d’autres preuves. dans le Article de couverture Du magazine les sciences, publié aujourd'hui, présente Zahr, Qualley, Kendra Turk Kubo, Wing-Kwan Esther Mak de l'Université de Californie à Santa Cruz et des collaborateurs de l'Université de Californie à San Francisco, du Lawrence Berkeley National Laboratory, de la National Taiwan Ocean University et de Kochi. Université au Japon. UCYN-A importe des protéines de ses cellules hôtes.

« C'est l'une des caractéristiques de quelque chose qui passe d'un endosymbionte à un organite », a déclaré Zahr. « Ils commencent à se débarrasser des morceaux d'ADN, leur génome devient de plus en plus petit et ils commencent à compter sur la cellule mère pour transporter ces produits génétiques – ou la protéine elle-même – dans la cellule. »

Cole a travaillé sur les protéines à étudier. Il a comparé les protéines trouvées dans l'UCYN-A isolée avec celles trouvées dans la cellule hôte de l'algue entière. Il a découvert que la cellule hôte fabrique des protéines et les marque avec une séquence d'acides aminés spécifique, qui indique à la cellule de les envoyer au nitroplaste. Le nitroblaste importe et utilise ensuite les protéines. Cole a identifié la fonction de certaines protéines, qui comblent les lacunes de voies spécifiques au sein d'UCYN-A.

« C'est un peu comme un puzzle magique qui s'emboîte et fonctionne ensemble », a déclaré Zahr.

Dans le même article, des chercheurs de l’Université de Californie à San Francisco ont montré que l’UCYN-A se réplique en conjonction avec la cellule algale et est héritée comme les autres organites.

Changer de perspective

Ces éléments de preuve indépendants ne laissent aucun doute sur le fait que UCYN-A a transcendé le rôle de symbiote. Alors que les mitochondries et les chloroplastes ont évolué il y a des milliards d’années, les nitroplastes semblent avoir évolué il y a environ 100 millions d’années, offrant ainsi aux scientifiques une perspective nouvelle et plus moderne sur la formation des organelles.

L'organite donne également un aperçu des écosystèmes océaniques. Tous les organismes vivants ont besoin d’azote sous une forme biologiquement utilisable, et l’UCYN-A est importante à l’échelle mondiale pour sa capacité à fixer l’azote de l’atmosphère. Les chercheurs l'ont trouvé partout, des tropiques à l'océan Arctique, et il fixe une grande quantité d'azote.

« Ce n'est pas juste un autre joueur », a déclaré Zehr.

Cette découverte a également le potentiel de changer l’agriculture. La capacité de fabriquer des engrais ammoniaqués à partir de l'azote atmosphérique a permis à l'agriculture – et à la population mondiale – de décoller au début du XXe siècle. Ce procédé est connu sous le nom de procédé Haber-Bosch et permet de produire environ 50 % de la nourriture mondiale. Ils produisent également d’énormes quantités de dioxyde de carbone : environ 1,4 % des émissions mondiales proviennent de ce processus. Depuis des décennies, les chercheurs tentent de découvrir un moyen d’intégrer la fixation naturelle de l’azote dans l’agriculture.

« Ce système constitue une nouvelle perspective sur la fixation de l'azote et peut fournir des indices sur la manière d'intégrer un tel organite dans les plantes cultivées », a déclaré Cole.

Mais de nombreuses questions sur UCYN-A et son hôte algal restent sans réponse. Les chercheurs prévoient d’approfondir le fonctionnement de l’UCYN-A et des algues et d’étudier différentes souches.

Kendra Turk-Cobo, professeur adjoint à l'UC Santa Cruz, poursuivra la recherche dans son nouveau laboratoire. Zahr s'attend à ce que les scientifiques découvrent d'autres organismes ayant des histoires évolutives similaires à celles de l'UCYN-A, mais en tant que première du genre, cette découverte en est une pour les manuels.