Aperçu d’un microbe “chaud” qui peut se développer sur l’azote tout en produisant du méthane

Les scientifiques de l’Institut Max Planck de microbiologie marine ont réussi à améliorer la culture d’un micro-organisme capable de fixer l’azote (N₂) tout en produisant du méthane (CH₄) et l’ammoniac (NH₃) et a étudié des détails passionnants de son métabolisme.

Carbone et azote sont des éléments essentiels de la vie. Certains organismes occupent des positions clés pour le cycle des deux, parmi lesquels Methanothermococcus thermolithotrophicus. Derrière le nom compliqué se cache un microbe compliqué. M. thermolithotrophicus est un méthanogène marin thermophile.

Il vit dans les sédiments océaniques, des côtes sablonneuses et des marais salés aux profondeurs marines, de préférence à des températures autour de 65 °C. Il est capable de transformer l’azote (N₂) et gaz carbonique (CO₂) dans ammoniac (NH₃) et du méthane (CH₄) en utilisant de l’hydrogène (H₂). Les deux produits, l’ammoniac et le méthane, sont très intéressants pour des applications biotechnologiques dans la production d’engrais et de biocarburants.

Tristan Wagner et Nevena Maslać de l’Institut Max Planck de microbiologie marine ont maintenant réussi à cultiver ce microbe dans un fermenteur, une entreprise difficile.

“Il est très compliqué de fournir les conditions parfaites pour que ce microbe se développe tout en fixant N₂— des températures élevées, pas d’oxygène et en gardant un œil sur les niveaux d’hydrogène et de dioxyde de carbone », explique Maslać, qui a mené la recherche dans le cadre de son projet de doctorat. « Mais avec un peu d’ingéniosité et de persévérance, nous avons réussi à les faire prospérer dans notre laboratoire et atteindre les densités cellulaires les plus élevées signalées jusqu’à présent.”

Une fois les cultures en place, les scientifiques ont pu étudier en détail la physiologie du microbe, puis approfondir leur étude en examinant comment le métabolisme du microbe s’adapte au N₂-fixation. “En étroite collaboration avec nos collègues Chandni Sidhu et Hanno Teeling, nous avons combiné des tests physiologiques et la transcriptomique différentielle, ce qui nous a permis d’approfondir le métabolisme de M. thermolithotrophicus”, explique Maslać.

Aussi improbable qu’un bourdon

Les capacités métaboliques de M. thermolithotrophicus sont déconcertantes : ces microbes utilisent la méthanogénèse, un métabolisme originaire de la Terre anoxique primitive, pour acquérir leur énergie cellulaire. Comparés aux humains qui utilisent l’oxygène pour transformer le glucose en dioxyde de carbone, les méthanogènes ne tirent qu’une quantité très limitée d’énergie de la méthanogénèse. Paradoxalement, la fixation de l’azote nécessite des quantités d’énergie gigantesques, qui les épuiseraient.

“Ils ressemblent un peu aux bourdons, qui sont théoriquement trop lourds pour voler, mais qui le font néanmoins”, explique l’auteur principal Tristan Wagner, chef de groupe du Max Planck Research Group Microbial Metabolism. “Malgré une telle limitation énergétique, ces microbes fascinants se sont même révélés être les principaux fixateurs d’azote dans certains environnements.”

Une nitrogénase robuste

L’enzyme que les organismes utilisent pour fixer l’azote s’appelle la nitrogénase. La plupart des nitrogénases courantes nécessitent du molybdène pour effectuer la réaction. La nitrogénase de molybdène est bien étudiée chez les bactéries vivant comme symbiotes dans les racines des plantes. Leur nitrogénase peut être inhibée par le tungstate.

Étonnamment, les scientifiques de Brême ont découvert que M. thermolithotrophicus n’est pas perturbé par le tungstate lors de sa croissance sur N₂. “Notre microbe ne dépendait que du molybdène pour fixer N₂ et non gêné par le tungstate, ce qui implique une adaptation des systèmes d’acquisition de métaux, le rendant encore plus robuste pour différentes applications potentielles », explique Maslać.

Repenser la production d’ammoniac

Fixation de l’azote, c’est-à-dire obtenir de l’azote à partir de N₂, est le principal processus d’insertion de l’azote dans le cycle biologique. Pour la production d’engrais industriels, ce processus est réalisé via le procédé Haber-Bosch, qui fixe artificiellement l’azote pour produire de l’ammoniac avec de l’hydrogène sous des températures et des pressions élevées. Il est utilisé pour produire la majeure partie de l’ammoniac mondial, un engrais essentiel pour soutenir l’agriculture mondiale.

Le procédé Haber-Bosch est extrêmement énergivore : il consomme 2 % de la production mondiale d’énergie et libère en même temps jusqu’à 1,4 % des émissions mondiales de carbone. Ainsi, les gens recherchent des alternatives plus durables pour produire de l’ammoniac.

“Le procédé utilisé par M. thermolithotrophicus montre qu’il existe encore dans le monde microbien des solutions qui pourraient permettre une production plus efficace d’ammoniac, et qu’elles peuvent même être combinées avec la production de biocarburant grâce au méthane”, explique Wagner.

“Avec cette étude, nous avons compris que sous N₂-fixant les conditions, le méthanogène sacrifie sa production de protéines pour favoriser la capture d’azote, une stratégie de réallocation d’énergie particulièrement intelligente », résume Wagner. « Notre prochaine étape sera d’entrer dans les détails moléculaires du processus et des enzymes impliquées, ainsi que d’examiner d’autres parties du métabolisme de l’organisme.”

La recherche a été publiée dans mBio.