La levure, un organisme que nous connaissons bien pour sa capacité à transformer les glucides en produits comme le pain et la bière, pourrait bien nous surprendre. Une nouvelle étude révèle que certaines souches de levure préféreraient la lumière à l’obscurité. Cette découverte aurait par conséquent des implications majeures pour notre compréhension de l’évolution et de la production de biocarburants.
Une transformation étonnamment simple
Publiée dans la revue Current Biology, l’étude menée par des chercheurs de la École des sciences biologiques de Georgia Tech a réussi à créer l’une des premières souches de levure qui semble se développer plus rapidement à la lumière.
« Nous avons été franchement surpris de voir à quel point il était simple de transformer la levure en phototrophes (organismes capables d’utiliser l’énergie de la lumière) », précise Anthony Burnetti, chercheur associé dans le laboratoire du professeur William Ratcliff et auteur principal de l’étude. « Il suffisait de déplacer un seul gène, et elles poussaient 2% plus vite à la lumière qu’à l’obscurité. Sans aucune optimisation ou manipulation délicate, cela a simplement fonctionné. »
Le fait de pouvoir doter facilement la levure d’un trait aussi important sur le plan évolutif pourrait avoir des implications majeures pour notre compréhension de l’origine de ce trait et de la manière dont il peut être utilisé pour étudier des choses comme la production de biocarburants, l’évolution et le vieillissement cellulaire.
La recherche d’un coup de pouce énergétique
L’étude a été inspirée par les travaux antérieurs du groupe sur l’évolution de la vie multicellulaire.
Le groupe a publié son premier rapport sur leur expérience d’évolution à long terme de la multicellularité (MuLTEE) dans Nature l’année dernière, révélant comment leur organisme modèle unicellulaire, la «levure flocon de neige», a pu évoluer vers la multicellularité sur 3 000 générations.
Au cours de ces expériences d’évolution, une limitation majeure pour l’évolution multicellulaire est apparue : l’énergie. « L’oxygène a du mal à se diffuser profondément dans les tissus, et vous obtenez des tissus sans la capacité d’obtenir de l’énergie en conséquence », explique Burnetti. « Je cherchais des moyens de contourner cette limitation énergétique basée sur l’oxygène. »
La simplicité de la conversion de la lumière en énergie
Une façon plus simple pour les organismes d’utiliser la lumière est avec les rhodopsines : des protéines qui peuvent convertir la lumière en énergie sans machinerie cellulaire supplémentaire.
« Les rhodopsines se trouvent partout dans l’arbre de la vie et sont apparemment acquises par les organismes qui obtiennent des gènes les uns des autres au fil du temps évolutif », précise Autumn Peterson, étudiante en doctorat de biologie travaillant avec William Ratcliff et auteure principale de l’étude.
Ce type d’échange génétique est appelé transfert horizontal de gènes et implique le partage d’informations génétiques entre des organismes qui ne sont pas étroitement liés. Le transfert horizontal de gènes peut provoquer des sauts évolutifs apparemment importants en peu de temps, comme la façon dont les bactéries sont rapidement capables de développer une résistance à certains antibiotiques. Cela peut se produire avec toutes sortes d’informations génétiques et est particulièrement courant avec les protéines de rhodopsine.
Des implications pour l’évolution et la production de biocarburants
Équipée de rhodopsine vacuolaire, la levure a poussé environ 2% plus vite lorsqu’elle était éclairée – un énorme avantage en termes d’évolution.
« Nous avons un seul gène, et nous le déplaçons simplement dans un contexte où il n’a jamais été un phototrophe auparavant, et cela fonctionne », dit Anthony Burnetti. « Cela montre qu’il est vraiment facile pour ce type de système, au moins parfois, de faire son travail dans un nouvel organisme. »
Cette simplicité offre des informations clés sur l’évolution et en dit long sur « la facilité avec laquelle les rhodopsines ont pu se propager à travers tant de lignées et pourquoi cela peut être ainsi », indique Autumn Peterson, qui a récemment reçu une bourse Gilliam de l’Institut médical Howard Hughes (HHMI) pour son travail.
En synthèse
Cette étude révolutionnaire démontre que la levure, un organisme simple, peut être modifiée pour convertir la lumière en énergie, une découverte qui pourrait avoir des implications majeures pour notre compréhension de l’évolution et de la production de biocarburants.
Les chercheurs sont impatients d’explorer comment ce bénéfice supplémentaire pourrait influencer le passage de la levure unicellulaire à l’organisme multicellulaire. Les implications de cette recherche pourraient être vastes, allant de la production de biocarburants à la compréhension du vieillissement cellulaire.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la levure phototrophe ?
La levure phototrophe est une souche de levure qui a été génétiquement modifiée pour pouvoir utiliser l’énergie de la lumière pour sa croissance, ce qui est une caractéristique nouvelle et surprenante pour cet organisme.
Comment la levure a-t-elle été transformée en phototrophe ?
Les chercheurs ont déplacé un seul gène dans la levure, ce qui lui a permis de devenir phototrophe. Cette modification génétique a permis à la levure de croître 2% plus vite à la lumière qu’à l’obscurité.
Qu’est-ce que les rhodopsines et quel est leur rôle ?
Les rhodopsines sont des protéines qui peuvent convertir la lumière en énergie sans machinerie cellulaire supplémentaire. Elles sont présentes dans de nombreux organismes et ont été utilisées dans cette étude pour permettre à la levure de devenir phototrophe.
Quelles sont les implications de cette découverte ?
Cette découverte pourrait avoir des implications majeures pour notre compréhension de l’évolution et de la production de biocarburants. Elle pourrait également aider à comprendre le vieillissement cellulaire.
Quelle est la prochaine étape pour cette recherche ?
Les chercheurs sont impatients d’explorer comment ce bénéfice supplémentaire pourrait influencer le passage de la levure unicellulaire à l’organisme multicellulaire. Ils envisagent également d’étudier comment les rhodopsines pourraient être utilisées pour réduire les effets du vieillissement dans la levure.
Références
Légende illustration principale : Les protéines vertes de la rhodopsine à l’intérieur des parois cellulaires bleues permettent à ces levures de croître plus rapidement lorsqu’elles sont exposées à la lumière. Anthony Burnetti, Georgia Institute of Technology
Article : « Transforming yeast into a facultative photoheterotroph via expression of vacuolar rhodopsin » – DOI: 10.1016/j.cub.2023.12.044
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