Une coalition internationale de chercheurs des États-Unis et d’Italie a découvert une nouvelle souche de cyanobactéries, ou algues, isolée des cheminées océaniques volcaniques, qui est particulièrement apte à se développer rapidement en présence de CO2 et qui s’enfonce facilement dans l’eau, ce qui en fait un candidat de choix pour les projets de piégeage biologique du carbone et la bioproduction de produits de valeur. Cette souche, surnommée « Chonkus », a été découverte au large de l’île de Vulcano, en Sicile (Italie), un environnement où le CO2 marin est abondant en raison de la présence de cheminées volcaniques peu profondes.
« Le carbone dissous est relativement dilué par rapport à toutes les autres molécules présentes dans l’océan, ce qui limite la croissance des organismes photosynthétiques qui y vivent. Nous avons décidé d’étudier ce qui se passe lorsque l’on atténue ce facteur limitant en se rendant dans un endroit où le carbone est abondant et où certains organismes ont pu développer la capacité de l’utiliser pour stimuler leur croissance », explique Max Schubert, docteur en sciences, co-auteur de la correspondance, qui était chercheur à l’Institut Wyss de l’université de Harvard lorsque les travaux ont été menés et qui est aujourd’hui chercheur principal de projet chez Align to Innovate. « Cette souche naturelle de cyanobactérie présente plusieurs caractéristiques qui pourraient être utiles à l’homme, notamment une croissance très dense et une tendance naturelle à s’enfoncer dans l’eau, ce qui fait de Chonkus un organisme particulièrement intéressant pour les travaux futurs sur la décarbonation et la biofabrication. »
De la mer peu profonde à la paillasse
Schubert et son collègue auteur correspondant Braden Tierney, Ph.D., se sont rencontrés pour la première fois en tant que voisins de laboratoire dans le laboratoire de George Church, Ph.D., membre de la Wyss Core Faculty, il y a neuf ans, mais ils n’ont commencé à collaborer que lorsqu’ils ont travaillé à la Harvard Medical School (HMS) en 2016. Schubert, un microbiologiste qui s’intéressait à la création d’outils pour l’évolution dirigée des bactéries et de leurs génomes, a soumis une proposition au symposium 2019 sur le changement climatique du Consortium HMS pour la génétique spatiale afin d’appliquer ce travail aux cyanobactéries. Il a remporté le premier prix, qui a financé ses premières tentatives d’application de ses outils aux cyanobactéries afin d’étudier leur potentiel de fixation et de séquestration du carbone.
Pendant ce temps, Tierney, qui était alors un postdoc codirigé par Church, le conseiller de Schubert, a reçu d’un ami un article sur les suintements peu profonds – des zones du plancher océanique où les gaz s’infiltrent dans l’eau mais sont suffisamment peu profonds pour recevoir la lumière du soleil – et a réalisé qu’il pourrait y avoir des microbes photosynthétiques vivant dans ces environnements qui ont évolué pour être capables de capturer le CO2 dissous dans l’eau. Il a pris contact avec Marco Milazzo et Paola Quatrini, tous deux professeurs à l’université de Palerme, en Sicile, qui étudiaient activement les suintements peu profonds et accessibles situés à proximité. Tierney a obtenu un financement de SeedLabs pour une expédition de collecte et a demandé à Schubert de l’aider à comprendre et à travailler avec les cyanobactéries susceptibles d’être présentes dans cet environnement.
Tierney et Schubert ont formé une coalition qui comprenait des scientifiques de l’Institut Wyss, de HMS, du Weill Cornell Medical College, de l’Université d’État du Colorado, de l’Université du Wisconsin-Madison, du MIT, du Laboratoire national des énergies renouvelables du Colorado et du Département des sciences de la terre et de la mer de l’Université de Palerme, en Italie. Le groupe a lancé une expédition sur le terrain dans l’océan au large de la côte de Vulcano, où il a enfilé des combinaisons de plongée sous-marine et prélevé des échantillons d’eau dans un suintement peu profond riche en CO2. Ils ont ensuite expédié des tubes d’eau de mer à travers l’Atlantique jusqu’à Boston, où des scientifiques dirigés par Schubert ont isolé et caractérisé les microbes vivant dans les échantillons.
L’insecte d’un microbe est un atout pour l’humanité
Pour inciter la cyanobactérie cible à se développer, les chercheurs ont reproduit les conditions dans lesquelles une cyanobactérie à croissance rapide se développerait : des températures chaudes, beaucoup de lumière et beaucoup de CO2. Après isolement à partir de cultures d’enrichissement, deux souches de cyanobactéries à croissance rapide ont été découvertes : UTEX 3221 et UTEX 3222. L’équipe a choisi de se concentrer sur l’UTEX 3222 en raison de sa croissance unicellulaire, qui facilite la comparaison avec les souches de cyanobactéries existantes.
L’UTEX 3222 a produit des colonies plus grandes que les autres souches connues de cyanobactéries à croissance rapide, et ses cellules individuelles étaient également plus grandes – d’où le surnom de Chonkus. La densité de croissance était également supérieure à celle des souches existantes, les cellules semblaient abriter des granules de stockage contenant du carbone et la teneur globale en carbone était supérieure à celle des autres souches : autant de caractéristiques potentiellement intéressantes pour des applications telles que la séquestration du carbone et la bioproduction. Plus intéressant encore, Chonkus s’est rapidement transformée en une boulette dense ressemblant à du « beurre de cacahuète vert » au fond de ses tubes d’échantillonnage, alors que les autres souches sont restées en suspension. Ce comportement est particulièrement intéressant pour la transformation industrielle, car la concentration et le séchage de la biomasse représentent actuellement 15 à 30 % des coûts de production.
« Bon nombre des caractéristiques que nous avons observées chez Chonkus ne sont pas intrinsèquement utiles dans leur environnement naturel, mais elles sont très utiles à l’homme. Les organismes aquatiques se développent naturellement à très faible densité, mais la capacité de se développer à haute densité à des températures plus élevées est très utile dans les environnements industriels que nous utilisons pour fabriquer de nombreux biens et produits, et peut aider à séquestrer plus de carbone », a déclaré M. Tierney. « Il existe une incroyable diversité microbienne dans le monde, et nous pensons qu’il est plus efficace de rechercher les microbes qui ont déjà évolué pour réussir dans des environnements pertinents pour l’homme plutôt que d’essayer d’intégrer toutes les caractéristiques que nous voulons dans des bactéries E. coli cultivées en laboratoire. »
L’équipe est enthousiasmée par les nombreuses applications qui pourraient être abordées avec Chonkus ou des versions modifiées du microbe. De nombreuses organisations étudient l’utilisation d’organismes à croissance rapide pour le piégeage du carbone, et Chonkus pourrait un jour rejoindre leurs rangs. Plusieurs produits sont actuellement fabriqués dans les algues, comme les acides gras oméga-3, l’astaxanthine, un antioxydant, et la spiruline, et pourraient être fabriqués plus efficacement dans une souche qui croît rapidement et densément. En outre, le fait que les cyanobactéries récoltent directement le carbone de leur environnement pour se développer signifie qu’elles peuvent coupler les processus de piégeage du carbone et de bioproduction au sein d’un seul et même organisme. Des échantillons d’UTEX 3222 et d’UTEX 3221 sont cryoconservés et mis à la disposition des chercheurs par la Culture Collection of Algae de l’université du Texas, à Austin.
Inspiré par le succès de leur première expédition, Tierney a depuis cofondé une organisation à but non lucratif avec les coauteurs de l’article, Krista Ryon et James Henriksen, appelée The Two Frontiers Project, qui vise à étudier comment la vie se développe dans des environnements extrêmes grâce à des expéditions scientifiques de nouvelle génération. Le groupe a déjà effectué des expéditions dans des sources chaudes du Colorado, dans les Smoking Lands de la mer Tyrrhénienne, dans les récifs coralliens de la mer Rouge et dans d’autres endroits. L’organisation se concentre sur les microbes qui peuvent être utilisés pour trois applications majeures : la capture du carbone, le recyclage du CO2 pour des produits durables et la restauration de l’écosystème corallien.
« Les caractéristiques inhérentes aux souches de cyanobactéries naturellement évoluées décrites dans cette recherche peuvent être utilisées à la fois dans l’industrie et dans l’environnement, notamment pour la biofabrication de produits utiles à base de carbone ou pour l’enfouissement de grands volumes de carbone au fond des océans. Bien que d’autres modifications puissent être apportées pour améliorer les capacités de ces microbes, l’exploitation de milliards d’années d’évolution constitue une avancée significative pour répondre au besoin urgent de l’humanité d’atténuer et d’inverser le changement climatique », a déclaré M. Church, qui est également titulaire de la chaire Robert Winthrop de génétique à HMS et professeur de sciences de la santé et de technologie à Harvard et au MIT. Mais il est très important de « construire les ceintures de sécurité avant de construire la voiture ». Notre laboratoire étudie également les approches de confinement biologique qui aident à contenir et à contrôler ce type d’expériences.
« L’Institut Wyss a été fondé sur la conviction que la nature est la meilleure source d’innovation de la planète et que l’imitation de ses principes est la clé d’un impact positif. Je suis fier de cette équipe qui est sortie du laboratoire pour aller chercher les meilleures idées de la nature là où elles se sont déjà développées. C’est un merveilleux exemple de la façon dont notre nouvelle initiative pour un avenir durable poursuit des approches originales pour faire face au changement climatique – le plus grand défi de notre génération », a déclaré le directeur fondateur de Wyss, Don Ingber, docteur en médecine, qui est également professeur de biologie vasculaire Judah Folkman à HMS et à l’hôpital pour enfants de Boston et professeur Hansjörg Wyss d’ingénierie inspirée par la biologie à l’école John A. Paulson de Harvard.
Légende illustration : Les taches blanches sur cette image microscopique de la cyanobactérie « Chonkus » semblent être des granules denses en carbone que l’algue fabrique, ce qui pourrait expliquer pourquoi elle grossit tant en présence de carbone et s’enfonce si rapidement. Crédit : Institut Wyss de l’université de Harvard
Article : « Cyanobacteria newly isolated from marine volcanic seeps display rapid sinking and robust, high-density growth » – DOI: 10.1128/aem.00841-24
Source : Wyss Institute – Traduction Enerzine.com
