Une découverte fortuite réécrit l'histoire de la respiration
Des scientifiques ont découvert une variante d'une molécule de quinone, la méthylplastoquinone. Ils ont pu la mettre en évidence dans une bactérie utilisant l'azote (Nirtospirota) et démontrer que les bases de la respiration de l'oxygène se sont développées plus tôt qu'il y a 2,3 milliards d'années, c'est-à-dire bien avant que l'oxygène ne soit présent dans l'atmosphère. Les résultats, obtenus sous la direction de l'Université Christian Albrecht de Kiel (CAU), ont été publiés dans la revue scientifique internationale Proceedings of the National Academy of Science (PNAS).
Pour l'analyse des échantillons, le Dr Felix Elling utilise une méthodologie hautement spécialisée. En laboratoire, les structures moléculaires sont déterminées à l'aide de la chromatographie liquide haute performance couplée à la spectrométrie de masse.
Jürgen Haacks / Uni Kiel
Aucun événement dans l'histoire de la Terre n'a fourni autant d'énergie aux êtres vivants que le développement de la respiration à l'oxygène. Elle a permis de convertir efficacement la nourriture en énergie. Cependant, la question de savoir quand et chez quels organismes cette capacité a été développée et quel processus est apparu en premier : la photosynthèse, qui libère l'oxygène, ou la respiration oxygénée, qui l'utilise, fait l'objet de débats scientifiques. Une découverte fortuite d'une équipe internationale de chercheurs pourrait désormais fournir un indice décisif sur la séquence évolutive de ces processus. Sous la direction de l'université de Kiel, les scientifiques ont découvert une variante d'une molécule de quinone, la méthylplastoquinone. Ils ont pu la mettre en évidence dans une bactérie utilisant l'azote (Nirtospirota) et démontrer ainsi que les bases de la respiration de l'oxygène se sont développées plus tôt qu'il y a 2,3 milliards d'années, c'est-à-dire bien avant que l'oxygène ne soit présent dans l'atmosphère.
Une équipe de chercheurs découvre une nouvelle variante de molécule
"Nous étudiions des bactéries pour un tout autre projet lorsque nous avons observé une modification inhabituelle dans une molécule d'une bactérie utilisant l'azote", explique le premier auteur de l'étude, le Dr Felix Elling du laboratoire Leibniz de détermination de l'âge et de recherche isotopique de la CAU, pour décrire cette découverte fortuite. "Dès le début, nous avons soupçonné qu'il pourrait s'agir d'un élément crucial lié au développement de la photosynthèse et à la capacité de respirer de l'oxygène", poursuit Elling, qui avait commencé ses recherches à l'université de Harvard (États-Unis).
L'équipe internationale de chercheurs, parmi lesquels, outre la CAU, des chercheurs de l'université de Brême, de l'université de Grenoble (France) et du Massachusetts Institute of Technology (MIT, États-Unis), a découvert la méthylplastoquinone, une variante d'une molécule appelée quinone. Jusqu'à présent, les chercheurs pensaient qu'il n'existait que deux types différents de quinones, présents dans tous les êtres vivants et contrôlant le métabolisme : les quinones anaérobies dans les bactéries, qui ne respirent pas d'oxygène, et les quinones aérobies, utilisées par les plantes pour la photosynthèse et par les humains, les animaux ou les bactéries pour la respiration d'oxygène. Les chercheurs ont maintenant découvert pour la première fois un troisième type, la méthylplastoquinone. Celle-ci a la structure de base des quinones aérobies, mais présente néanmoins quelques caractéristiques de la forme anaérobie. "Trouver une quinone semblable à celle que les plantes utilisent pour la photosynthèse dans une bactérie qui respire de l'oxygène était très inhabituel. Nous avons réalisé que la méthylplastoquinone pourrait être un troisième type de quinone et peut-être le chaînon manquant entre les deux types de quinone", explique Felix Elling. L'équipe n'a trouvé cette molécule jusqu'ici inconnue que dans des bactéries du phylum Nitrospirota, des organismes qui ont une grande importance pour le cycle global de l'azote.
La molécule existait déjà plus tôt qu'il y a 2,3 milliards d'années
Les résultats obtenus par les chercheurs de Kiel et de l'étranger contribuent également de manière décisive à mieux comprendre un événement de l'histoire de la Terre, appelé la catastrophe de l'oxygène (The Great Oxygenation Event), survenue il y a environ 2,3 à 2,4 milliards d'années. Cet événement a marqué un tournant dans l'histoire de la respiration, puisque les cyanobactéries ont commencé pour la première fois à produire de grandes quantités d'oxygène par photosynthèse, permettant ainsi un métabolisme aérobie. L'existence de la méthylplastoquinone réfute désormais l'hypothèse selon laquelle la photosynthèse est venue en premier. La molécule et sa voie de biosynthèse sont un indice décisif du fait que certaines bactéries étaient déjà capables d'utiliser l'oxygène avant que les cyanobactéries ne commencent à le produire.
Les travaux de l'équipe internationale de chercheurs ont permis d'identifier la forme originale de cette molécule, qui a servi de base à des adaptations ultérieures - l'une pour des fonctions dans les algues et les plantes et une autre dans les mitochondries de l'organisme humain. "Cette molécule est une capsule temporelle", résume Elling. "Un fossile vivant d'une molécule qui a duré plus de deux milliards d'années".
Les bases de la respiration de l'oxygène posées très tôt chez les bactéries
Les bases de la respiration à l'oxygène ont donc été posées très tôt dans l'histoire de la Terre. Plus tard, il y a environ 2,5 milliards d'années, lorsque l'oxygène s'est accumulé en grande quantité dans l'atmosphère, la capacité d'utiliser l'oxygène pour la production d'énergie s'est développée. Cette innovation évolutive de la respiration à l'oxygène a été reprise par les eucaryotes. Dans les cellules des eucaryotes, dont les humains font partie, cet événement évolutif a été conservé dans les mitochondries, les centrales électriques de nos cellules.
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Publication originale
Felix J. Elling, Fabien Pierrel, Sophie-Carole Chobert, Sophie S. Abby, Thomas W. Evans, Arthur Reveillard, Ludovic Pelosi, Juliette Schnoebelen, Jordon D. Hemingway, et al.; "A novel quinone biosynthetic pathway illuminates the evolution of aerobic metabolism"; Proceedings of the National Academy of Sciences, Volume 122, 2025-2-20
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