Un goût pour le dioxyde de carbone
L'affinité remarquable de l'enzyme microbienne iron nitrogenase pour le gaz à effet de serre CO2 la rend utile pour les biotechnologies futures
Les nitrogénases comptent parmi les enzymes les plus importantes du point de vue géochimique sur Terre, car elles fournissent à toutes les formes de vie de l'azote biodisponible sous forme d'ammoniac (NH3). Certaines nitrogénases peuvent également convertir directement leCO2 en chaînes d'hydrocarbures, ce qui en fait une cible intéressante pour le développement de processus biotechnologiques. Une équipe de chercheurs de Marburg, en Allemagne, dirigée par Johannes Rebelein, scientifique de Max Planck, vient de donner un aperçu complet de la spécificité et des préférences des substrats de la nitrogénase. Leurs résultats remettent en question la compréhension actuelle des nitrogénases et soulignent leur potentiel pour une bioproduction durable.
Une culture liquide de Rhodobacter capsulatus. La bactérie modèle vit de manière phototrophe, c'est-à-dire qu'elle obtient son énergie par photosynthèse. Les chercheurs dirigés par Johannes Rebelein, scientifique de Max Planck, ont découvert que l'enzyme fer (Fe)-nitrogénase de R. capsulatus réduit le CO2 en formiate et en méthane, même dans des conditions physiologiques, et que cette conversion est potentiellement d'une grande valeur pour une bioéconomie durable : la réalisation de tels processus dans les organismes phototrophes pourrait permettre une conversion du dioxyde de carbone en produits chimiques utiles, sous l'effet de la lumière.
© Max-Planck-Institut for Terrestrial Microbiology/Geisel
L'azote est l'un des principaux éléments constitutifs de nos cellules. Cependant, la majeure partie de l'azote sur Terre se présente sous forme de N2 gazeuxet est chimiquement inutilisable par les cellules. Seule une famille d'enzymes est capable de convertir le N2 en ammoniac (NH3), une forme biodisponible : les nitrogénases.
Des chercheurs dirigés par Johannes Rebelein, de l'Institut Max Planck de microbiologie terrestre de Marburg, ont récemment découvert que certaines nitrogénases peuvent également traiter un autre substrat important : Elles réduisent le gaz à effet de serreCO2 en hydrocarbures (méthane, éthylène, éthane) et en acide formique. Tous ces produits sont des sources d'énergie potentielles et des produits chimiques importants pour l'industrie. Dans l'optique d'une bioproduction durable et neutre en carbone, l'équipe a voulu savoir : Dans quelle mesure les enzymes peuvent-elles faire la distinction entrele CO2 et le N2? Et les micro-organismes qui se développent sur N2 réduisent-ils également leCO2 dans des conditions physiologiques normales ?
Deux isoenzymes
Pour répondre à ces questions, les chercheurs se sont intéressés à la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus, qui héberge deux isoenzymes : la nitrogénase au molybdène (Mo) et la nitrogénase au fer (Fe), dont la bactérie a besoin comme réserve en cas de carence en molybdène. Les chercheurs ont isolé les deux nitrogénases et ont comparé leur réduction duCO2 à l'aide de tests biochimiques. Ils ont constaté que la nitrogénase à base de fer réduit leCO2 trois fois plus efficacement que son homologue contenant du molybdène et produit de l'acide formique et du méthane aux concentrations atmosphériques deCO2.
Lorsque les deux enzymes se sont vu proposer duCO2 et du N2 en même temps, une autre différence importante est apparue : alors que la Mo-nitrogenase réduit sélectivement le N2, la Fe-nitrogenase a tendance à choisir leCO2 comme substrat. "Normalement, une vitesse de réaction plus élevée dans les enzymes se fait au détriment de la précision. Il est intéressant de noter que la Mo-nitrogenase est à la fois plus rapide et plus sélective, ce qui montre son avantage dans la réduction du N2. La spécificité plus faible de la Fe nitrogenase et sa préférence pour leCO2 en font un point de départ prometteur pour le développement de nouvelles réductases deCO2 ", explique Frederik Schmidt, doctorant dans le laboratoire de Johannes Rebelein et co-auteur de l'étude.
Une réduction duCO2 largement répandue dans la nature ?
La faible sélectivité n'a pas été la seule surprise. "Nous avons analysé quelle fraction d'électrons aboutissait à quel produit et nous avons constaté que le méthane et de fortes concentrations d'acide formique dérivés de la conversion duCO2 par la Fe nitrogenase étaient sécrétés par les bactéries même lorsqu'aucunCO2 supplémentaire n'était ajouté à la culture : leCO2 dérivé du métabolisme était suffisant pour alimenter ce processus. Cette découverte suggère que la réduction duCO2 catalysée par la Fe nitrogénase peut effectivement être répandue dans la nature", déclare Niels Oehlmann, coauteur de l'étude. Cela signifie également que la disponibilité et l'échange de substrats à un seul carbone sont susceptibles d'influencer les communautés microbiennes dans différents environnements.
Ces travaux remettent en question la vision traditionnelle des nitrogénases en tant que véritables enzymes de conversion de l'azote. Les bactéries photosynthétiques telles que R. capsulatus, qui utilisent l'énergie lumineuse pour stimuler les nitrogénases afin de convertir le gaz à effet de serre qu'est leCO2, pourraient jouer un rôle clé non seulement en ce qui concerne leur impact sur l'environnement, mais aussi dans le cadre de la transition sociétale vers une économie circulaire durable, explique Johannes Rebelein. "L'idée est que nous pouvons stocker l'énergie de la lumière solaire captée par l'appareil photosynthétique du micro-organisme dans les hydrocarbures produits par la nitrogénase. À l'avenir, nous souhaitons poursuivre le développement de la nitrogénase ferreuse afin de l'utiliser pour lafixation et l'utilisation duCO2 .
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
"The Iron Nitrogenase Reduces Carbon Dioxide to Formate and Methane under Physiological Conditions: A Route to Feedstock Chemicals"; Science Advances 2024
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