Les champignons utilisent le "bouton de démarrage" pour obtenir de la glace à partir de bactéries
Les protéines nouvellement identifiées pourraient être importantes pour la cryoconservation, la transformation des aliments et la production de neige
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Une équipe de recherche internationale dirigée par Konrad Meister de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères, qui fait partie du département de Mischa Bonn, a identifié une nouvelle classe de protéines formant des cristaux de glace dans les champignons inférieurs. L'étude montre que les champignons de la famille des Mortierellaceae utilisent un schéma génétique qui provient des bactéries. Toutefois, contrairement aux bactéries, les champignons utilisent le gène pour former des protéines solubles dans l'eau. Cette adaptation structurelle explique la grande stabilité et l'efficacité de la formation de glace par les champignons. Selon les chercheurs, les protéines fongiques sont prometteuses pour des applications dans le domaine de la technologie de congélation.
L'eau gèle à 0 °C, du moins selon les manuels scolaires. Mais dans des conditions idéales, l'eau pure reste liquide jusqu'à une température de -40 °C. Il suffit alors d'un petit choc ou d'une particule de poussière pour que le liquide se transforme brusquement et soudainement en glace. Certains types de bactéries sont également de bons formateurs de glace, car ils produisent des protéines spéciales qui favorisent la congélation à des températures proches de 0 °C. Par exemple, les protéines de la bactérie Pseudomonas syringae font geler l'eau mieux que tout autre matériau connu. On trouve de telles protéines de nucléation de la glace non seulement chez les bactéries, mais aussi chez certains champignons. Si la structure des protéines bactériennes a été bien étudiée, celle des champignons est restée floue jusqu'à présent.
L'équipe internationale dirigée par Konrad Meister de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères décrit pour la première fois une nouvelle classe de protéines de nucléation de la glace provenant de la famille de champignons Mortierellaceae. Cette famille appartient aux champignons inférieurs, qui comprennent également les levures. Les travaux ont été menés en collaboration avec des chercheurs de l'Institut Max Planck de chimie et des collègues américains, dont Boris Vinatzer de Virginia Tech.
Pour découvrir la structure des protéines fongiques, les chercheurs ont séquencé les génomes de champignons actifs sur la glace, isolés à partir d'échantillons d'eau et de lichens collectés lors d'expéditions polaires antérieures. Ce faisant, ils ont découvert des gènes étroitement liés à un gène déjà connu chez des bactéries actives sur la glace telles que Pseudomonas syringae : Le gène InaZ est le modèle de fabrication des protéines de nucléation de la glace.
Transfert de gènes d'une espèce à l'autre
Cependant, lors de l'analyse structurelle, les chercheurs ont découvert des différences significatives. Contrairement aux protéines bactériennes, qui doivent être intégrées dans une membrane pour fonctionner, les protéines fongiques sont solubles dans l'eau et exceptionnellement stables.
Sur la base d'analyses phylogénétiques - c'est-à-dire d'analyses de l'origine d'un gène - l'équipe a conclu que le gène InaZ a très probablement été transféré d'une bactérie à un ancêtre fongique à travers les espèces dans un passé lointain. Au lieu de développer la nucléation de la glace de manière indépendante, les champignons ont adopté une caractéristique très efficace des bactéries et l'ont adaptée à leurs propres besoins physiologiques.
"C'est un peu la même chose et pourtant différent", explique Rosemary Eufemio, chercheuse à l'université d'État de Boise, aux États-Unis. "Les champignons utilisent la même architecture de séquences répétitives que les bactéries pour leurs sites de formation de glace, mais ils les ont rendues plus solubles et plus stables, ce qui profite probablement à leur fonction écologique."
Pour prouver que les gènes fongiques identifiés sont bien le modèle des protéines qui forment la glace, l'équipe de recherche a transféré deux des gènes identifiés dans des levures et des bactéries non actives sur la glace. Les micro-organismes modifiés sont alors devenus actifs dans la glace, ce qui a confirmé le lien fonctionnel.
Des applications envisageables dans le domaine de la cryoconservation
Outre l'importance biologique de la découverte, Konrad Meister, du MPI pour la recherche sur les polymères, voit également des applications pratiques concrètes dans les technologies basées sur la congélation contrôlée. "Les protéines solubles de nucléation de la glace sont plus faciles à isoler, à manipuler et à intégrer dans les formulations et les processus technologiques que les protéines membranaires. Cela ouvre de nouvelles possibilités pour la congélation contrôlée dans la cryoconservation des cellules et des organes, la transformation des aliments et la production de neige."
La nucléation de la glace : Propriétés et importance
La capacité à nucléer la glace, c'est-à-dire à former des noyaux de glace de manière ciblée, revêt une grande importance évolutive pour certains micro-organismes. Elle leur confère des avantages en termes de survie, en particulier dans l'atmosphère. Lorsque la glace se forme dans les nuages, les gouttelettes gelées tombent sur terre sous forme de précipitations. "Cela permet aux bactéries et aux spores fongiques d'être transportées sur de longues distances et d'atteindre de nouveaux habitats tels que les surfaces des plantes, les sols ou d'autres régions géographiques", explique Janine Fröhlich, biologiste et chercheuse sur le système terrestre à l'Institut Max Planck de chimie.
Un exemple bien connu est celui de Pseudomonas syringae, que l'on trouve couramment sur les feuilles des plantes. En déclenchant la formation de glace sur les cellules des feuilles, il provoque des dégâts dus au gel. La sève de la plante s'écoule alors et sert de source de nutriments à la bactérie - en d'autres termes, elle endommage délibérément la plante pour se nourrir.
En outre, les bactéries responsables de la formation de glace ont une importance climatique : elles comptent parmi les déclencheurs naturels les plus efficaces de la formation de glace dans les nuages et peuvent donc influencer les précipitations, les événements météorologiques et le cycle de l'eau à l'échelle planétaire.
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.
Publication originale
Rosemary J. Eufemio, Mariah Rojas, Kaden Shaw, Ingrid de Almeida Ribeiro, Hao-Bo Guo, Galit Renzer, Kassaye Belay, Haijie Liu, Parkesh Suseendran, Xiaofeng Wang, Janine Fröhlich-Nowoisky, Ulrich Pöschl, Mischa Bonn, Rajiv J. Berry, Valeria Molinero, Boris A. Vinatzer, Konrad Meister; "A previously unrecognized class of fungal ice-nucleating proteins with bacterial ancestry"; Science Advances, Volume 12
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