24.11.2022 - Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie

Briser l'azote tout en générant du méthane

Découverte d'un microbe "chaud" capable de se développer sur de l'azote tout en produisant du méthane

Les scientifiques de l'Institut Max Planck de microbiologie marine ont réussi à améliorer la culture d'un micro-organisme capable de fixer l'azote (N2) tout en produisant du méthane (CH4) et de l'ammoniac (NH3) et ont étudié les détails passionnants de son métabolisme.

Le carbone et l'azote sont des éléments essentiels de la vie. Certains organismes occupent des positions clés dans le cycle de ces deux éléments, notamment Methanothermococcus thermolithotrophicus. Derrière ce nom compliqué se cache un microbe compliqué. Le M. thermolithotrophicus est un méthanogène marin qui aime la chaleur. Il vit dans les sédiments océaniques, depuis les côtes sablonneuses et les marais salés jusqu'aux profondeurs de la mer, de préférence à des températures avoisinant 65°C. Il est capable de transformer l'azote (N2) et le dioxyde de carbone (CO2) en ammoniac (NH3) et en méthane (CH4) en utilisant l'hydrogène (H2). Ces deux produits, l'ammoniac et le méthane, sont très intéressants pour les applications biotechnologiques dans la production d'engrais et de biocarburants.

Tristan Wagner et Nevena Maslać, de l'Institut Max Planck de microbiologie marine, ont maintenant réussi à cultiver ce microbe dans un fermenteur - une entreprise difficile. "Il est très compliqué de fournir les conditions parfaites pour que ce microbe se développe tout en fixant le N2 - températures élevées, absence d'oxygène et surveillance des niveaux d'hydrogène et de dioxyde de carbone", explique Nevena Maslać, qui a mené ces recherches dans le cadre de son projet de doctorat. "Mais avec un peu d'ingéniosité et de persévérance, nous avons réussi à les faire prospérer dans notre laboratoire et à atteindre les densités cellulaires les plus élevées rapportées à ce jour." Une fois les cultures en place, les scientifiques ont pu étudier en détail la physiologie du microbe, puis approfondir leur étude en examinant comment le métabolisme du microbe s'adapte à la fixation de l'azote. "En étroite collaboration avec nos collègues Chandni Sidhu et Hanno Teeling, nous avons combiné des tests physiologiques et la transcriptomique différentielle, ce qui nous a permis de creuser plus profondément le métabolisme de M. thermolithotrophicus", explique Maslać.

Aussi improbable qu'un bourdon

Les capacités métaboliques de M. thermolithotrophicus laissent perplexe : Ces microbes utilisent la méthanogénèse, un métabolisme qui a vu le jour sur la Terre anoxique primitive, pour acquérir leur énergie cellulaire. Par rapport aux humains qui utilisent l'oxygène pour transformer le glucose en dioxyde de carbone, les méthanogènes n'obtiennent qu'une quantité très limitée d'énergie de la méthanogenèse. Paradoxalement, la fixation de l'azote nécessite des quantités gigantesques d'énergie, ce qui les épuiserait. "Ils sont un peu comme les bourdons, qui sont théoriquement trop lourds pour voler mais qui le font néanmoins", explique l'auteur principal Tristan Wagner, chef de groupe du groupe de recherche Max Planck sur le métabolisme microbien. "Malgré une telle limitation énergétique, ces microbes fascinants se sont même avérés être les principaux fixateurs d'azote dans certains environnements."

Une nitrogénase robuste

L'enzyme que les organismes utilisent pour fixer l'azote est appelée nitrogénase. La plupart des nitrogénases courantes ont besoin de molybdène pour effectuer la réaction. La nitrogénase au molybdène est bien étudiée chez les bactéries qui vivent en symbiose avec les racines des plantes. Leur nitrogénase peut être inhibée par le tungstate. De manière surprenante, les scientifiques de Brême ont découvert que M. thermolithotrophicus n'est pas perturbé par le tungstate lorsqu'il se développe sur du N2. "Notre microbe était uniquement dépendant du molybdène pour fixer le N2 et n'était pas dérangé par le tungstate, ce qui implique une adaptation des systèmes d'acquisition des métaux, ce qui le rend encore plus robuste pour différentes applications potentielles", explique Maslać.

Repenser la production d'ammoniac

La fixation de l'azote, c'est-à-dire l'obtention d'azote à partir de N2, est le principal processus permettant d'insérer l'azote dans le cycle biologique. Pour la production industrielle d'engrais, ce processus s'effectue via le procédé Haber-Bosch, qui fixe artificiellement l'azote pour produire de l'ammoniac avec de l'hydrogène à des températures et des pressions élevées. Ce procédé est utilisé pour produire la majeure partie de l'ammoniac mondial, un engrais essentiel pour soutenir l'agriculture mondiale. Le procédé Haber-Bosch est extrêmement gourmand en énergie : Il consomme 2 % de la production mondiale d'énergie et libère en même temps jusqu'à 1,4 % des émissions mondiales de carbone. Les gens recherchent donc des alternatives plus durables pour produire de l'ammoniac. "Le processus utilisé par M. thermolithotrophicus montre qu'il existe encore dans le monde microbien des solutions qui pourraient permettre une production plus efficace d'ammoniac, et qu'elles peuvent même être combinées avec la production de biocarburants à partir du méthane", déclare Wagner. "Avec cette étude, nous avons compris que dans des conditions de fixation du N2, le méthanogène sacrifie sa production de protéines pour favoriser la capture de l'azote, une stratégie de réallocation énergétique particulièrement intelligente", résume Wagner. "Notre prochaine étape sera d'entrer dans les détails moléculaires du processus et des enzymes impliquées, ainsi que d'examiner d'autres parties du métabolisme de l'organisme."

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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