Des méthodes génétiques permettent d'utiliser des lipides fossiles comme biomarqueurs pour les bactéries primitives productrices d'oxygène
Une nouvelle étude publiée dans Nature Ecology & Evolution fournit une base importante pour décrypter l'histoire de l'évolution de la vie sur Terre
Les cyanobactéries sont une espèce clé dans l'histoire de la Terre, car ce sont elles qui ont introduit pour la première fois l'oxygène atmosphérique. L'analyse de leur développement donne donc des informations importantes sur l'origine de l'écosystème aérobie moderne. A cet effet, un certain type de lipides fossiles, appelés 2-méthylhopanes, a longtemps été considéré comme un biomarqueur important dans des sédiments parfois vieux de centaines de millions d'années. Mais cela a été remis en question lorsqu'il s'est avéré que non seulement les cyanobactéries mais aussi les alphaprotéobactéries étaient génétiquement capables de produire ces lipides.
Une équipe de recherche internationale dirigée par Yosuke Hoshino et Christian Hallmann du Centre allemand de recherche géologique GFZ et Benjamin Nettersheim du MARUM - Centre des sciences de l'environnement marin de l'université de Brême a désormais étudié l'évolution phylogénétique et la diffusion de certains gènes - dont HpnP - responsables de la synthèse du lipide 2-méthylhopane : Les chercheurs ont décrypté à quel moment ces gènes ont été acquis par certains groupes d'organismes. Ils ont ainsi pu montrer que HpnP était probablement déjà présent chez le dernier ancêtre commun des cyanobactéries, il y a plus de deux milliards d'années, alors que le gène n'est apparu chez les alphaprotéobactéries qu'il y a environ 750 millions d'années. Pour les périodes antérieures, les 2-méthylhopanes peuvent donc encore servir de biomarqueur clair pour les cyanobactéries productrices d'oxygène.
L'étude qui vient d'être publiée montre comment la génétique, en interaction avec la sédimentologie, la paléobiologie, la géochimie, peut améliorer la valeur diagnostique des biomarqueurs et affiner la reconstitution des premiers écosystèmes.
Le Dr Yosuke Hoshino (GFZ) effectue des analyses biologiques dans le cadre de l'étude.
Mikio Tanabe, KEK Japan
L'importance des cyanobactéries dans l'histoire de la Terre
Les cyanobactéries ont joué un rôle crucial dans la transformation de la Terre de son état initial sans oxygène en un système moderne, riche en oxygène, dans lequel une vie de plus en plus complexe est possible. Pendant une grande partie du Précambrien (les quelque quatre premiers milliards d'années de l'histoire de la Terre, des origines jusqu'à il y a environ 540 millions d'années), les cyanobactéries étaient probablement le seul groupe pertinent d'organismes qui transformaient des substances inorganiques en substances organiques (appelés producteurs primaires) et qui produisaient de l'oxygène. L'analyse de leur développement évolutif est donc d'une grande importance pour la compréhension de l'histoire commune de la vie et de la Terre.
L'importance des lipides fossiles en tant que biomarqueurs
En principe, les restes fossiles de cyanobactéries entières peuvent servir d'indicateur de la présence de photosynthèse oxygénée dans le passé géologique. Cependant, en raison des biais de conservation et des incertitudes quant à la reconnaissance des cellules fossiles de cyanobactéries, les géochimistes utilisent pour leurs recherches des lipides de diagnostic fossiles tels que les 2-méthylhopanes. Les 2-méthylhopanoïdes, comme on appelle les molécules non fossilisées, sont produits par les bactéries et, contrairement aux bactéries, ils sont détectables à l'état fossilisé dans les roches sédimentaires, même après des centaines de millions d'années, en bonne qualité et en quantité correspondant à leur présence d'origine.
La pertinence du 2-méthylhopane en tant que biomarqueur pour les cyanobactéries a toutefois été mise en doute récemment : la découverte d'un gène pour la biosynthèse des lipides a permis de constater que les alphaprotéobactéries étaient également en mesure de produire ces lipides. Il n'était donc plus possible de situer clairement dans le temps les processus de production d'oxygène.
Nouvelle approche : une analyse génétique complète combinée à de nouvelles analyses de sédiments de haute pureté
Une équipe de recherche internationale dirigée par Yosuke Hoshino, scientifique de la section 3.2 "Géochimie organique" du GFZ, et le chef de section Christian Hallmann, également professeur à l'université de Potsdam, ainsi que Benjamin Nettersheim du MARUM de l'université de Brême, a maintenant analysé systématiquement quels organismes autres que les cyanobactéries possédaient les gènes nécessaires à la production de 2-méthylhopanoïdes, abrégés SC et HpnP, et à quel moment ils les avaient acquis au cours de leur histoire évolutive. De cette manière, l'équipe a pu montrer que le lipide fossile 2-méthylhopane pouvait continuer à être utilisé comme biomarqueur unique de l'existence des cyanobactéries pour les périodes remontant à plus de 750 millions d'années.
En outre, les chercheurs ont établi une représentation intégrée de la production de 2-méthylhopane au cours de l'histoire de la Terre. Pour ce faire, ils ont combiné leurs données moléculaires avec de nouvelles analyses de sédiments réalisées dans des conditions de grande pureté.
"La méthode que nous avons proposée est en principe applicable à toute substance organique contenue dans les archives géologiques et a un grand potentiel pour suivre le développement évolutif de différents écosystèmes avec une résolution temporelle et spatiale nettement plus élevée qu'auparavant", résume Hoshino.
Méthodologie I : étude informatique pour l'analyse génétique
Pour l'analyse des corrélations génétiques, Hoshino a recherché dans des bases de données en ligne accessibles au public, qui contiennent des millions de séquences de gènes/protéines, des organismes possédant des gènes SC et HpnP. Sur la base de cet ensemble de données génétiques, il a créé ce que l'on appelle des arbres phylogénétiques, qui renseignent sur la manière dont les gènes SC et HpnP ont été transmis entre différents organismes et si le transfert de gènes a eu lieu verticalement via l'hérédité ou horizontalement entre des organismes non apparentés sur le plan de l'évolution.
En outre, les chercheurs ont également pu déterminer à quel moment les différents transferts de gènes ont eu lieu dans l'histoire de l'évolution des gènes. Pour ce faire, ils ont consulté des études antérieures utilisant la technique dite de l'horloge moléculaire, qui prend en compte le taux de mutation de l'ADN et évalue le déroulement temporel de l'évolution des gènes.
Méthodologie II : nouveau type de préparation ultra-propre des échantillons
Les jeux de données de biomarqueurs précambriens étant très sensibles aux contaminations, les chercheurs ont en outre utilisé une méthode ultra-propre pour extraire la matière organique des carottes sédimentaires. Les échantillons géologiques sous forme de carottes ont été collectés par plusieurs co-auteurs de 16 pays. Ils représentent différentes périodes géologiques allant du paléoprotérozoïque (il y a 2,5 milliards d'années) à l'époque actuelle. L'abondance relative des 2-méthylhopanes a ensuite été mesurée dans la matière organique.
Les résultats en détail
Il existe de nombreuses bactéries qui possèdent des gènes SC et HpnP, mais il s'agit principalement de cyanobactéries et d'alphaprotéobactéries. Il s'est avéré que les deux groupes ont acquis les gènes SC et HpnP indépendamment l'un de l'autre. Cela contraste avec les études précédentes qui concluaient que les cyanobactéries avaient acquis ces gènes des alphaprotéobactéries à un stade tardif de leur évolution.
La nouvelle étude a également révélé que l'ancêtre commun des cyanobactéries possédait déjà les deux gènes il y a plus de 2,4 milliards d'années, lorsque l'oxygène a commencé à s'accumuler dans l'atmosphère lors de ce que l'on appelle la Grande Catastrophe Oxygène.
En revanche, les alphaprotéobactéries ont acquis les gènes SC et HpnP au plus tôt il y a environ 750 millions d'années. Avant cela, les 2-méthylhopanoïdes n'étaient donc pratiquement produits que par les cyanobactéries.
Les chercheurs interprètent une augmentation légèrement retardée des 2-méthylhopanes dans les sédiments il y a environ 600 millions d'années comme un signe de la propagation globale des alphaprotéobactéries, qui a peut-être favorisé l'ascension évolutive simultanée des algues eucaryotes.
Classement et perspectives
"Les différentes méthodes d'analyse mentionnées ci-dessus ne sont pas nouvelles, mais peu de chercheurs ont réalisé des analyses complètes pour la SC et l'HpnP et tenté d'intégrer les données génétiques avec les données de biomarqueurs sédimentaires, car cela nécessite la combinaison de deux disciplines scientifiques totalement différentes, la biologie moléculaire et la géochimie organique", explique Hoshino.
"La source des 2-méthylhopanes sédimentaires est depuis longtemps controversée", ajoute Christian Hallmann. "Cette nouvelle étude ne clarifie pas seulement la diagnostiquabilité des 2-méthylhopanes et le rôle des cyanobactéries dans le passé primitif ; sa méthodologie offre une nouvelle voie pour affiner la diagnostiquabilité de tout lipide biomarqueur théorique, une fois que les gènes de biosynthèse sont connus".
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 Allemand peut être trouvé ici.
Publication originale
Yosuke Hoshino, Benjamin J. Nettersheim, David A. Gold, Christian Hallmann, Galina Vinnichenko, Lennart M. van Maldegem, Caleb Bishop, Jochen J. Brocks & Eric A. Gaucher, 2023; "Genetics re-establish the utility of 2-methylhopanes as cyanobacterial biomarkers before 750 million years ago."; Nature Ecology & Evolution
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