Comment un micro-organisme des grands fonds brise les liaisons chimiques les plus résistantes
Aperçu moléculaire de la fixation biologique de l'azote à une température proche du point d'ébullition
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Des chercheurs de l’Institut Max Planck de microbiologie marine et de l’Institut de biologie structurelle ont déterminé la structure et les caractéristiques moléculaires d’une enzyme remarquablement thermostable qui transforme l’azote gazeux en Ammoniac. Leurs résultats, publiés dans *Nature Communications*, apportent un éclairage nouveau sur la manière dont la nature rompt la triple liaison exceptionnellement forte du N₂ pour produire cet engrais et ce biocarburant essentiels.
Briser l’une des liaisons chimiques les plus résistantes de la nature
Les micro-organismes sont capables de réalisations remarquables, comme la fixation de l’azote, c’est-à-dire la conversion de l’azote gazeux (N₂) en une forme utilisable par les organismes. Bien que l’azote gazeux représente environ 78 % de l’atmosphère terrestre, les plantes et les animaux ne peuvent pas l’utiliser directement. Les deux atomes d’azote sont liés par une « super-colle » : une triple liaison chimique. Mais certains micro-organismes possèdent un super-pouvoir : ils peuvent fixer l’azote en rompant ces liaisons et en convertissant le N₂ en ammoniac, qui peut ensuite être utilisé pour construire des molécules biologiques. L’archéobactérie des grands fonds marins Methanocaldococcus infernus est l’un de ces « super-héros ». Ce micro-organisme vit dans des zones volcaniques marines, où la température des fluides s’échappant des cheminées peut dépasser le point d’ébullition de l’eau.
Cela a éveillé la curiosité des scientifiques du laboratoire de Tristan Wagner à l’Institut Max Planck de microbiologie marine de Brême. Ils ont « apprivoisé » ce micro-organisme, le forçant à fixer le N₂ même à des températures supérieures à 90 °C. « Comment y parviennent-ils, dans une telle chaleur ? Et comment l’enzyme qui rompt la triple liaison de l’azote peut-elle fonctionner dans ces conditions ? », s’est demandé Wagner.
L’enzyme qui confère ce super-pouvoir de fixation de l’azote s’appelle la nitrogénase, une enzyme qui contient le métallocofacteur le plus complexe connu en biologie. Les métallocofacteurs sont des molécules auxiliaires métalliques, liées à une enzyme et essentielles à son fonctionnement. Les nitrogénases les mieux étudiées et les plus performantes possèdent un métallocofacteur contenant du molybdène, mais il en existe également des formes composées uniquement de vanadium ou de fer. La manière dont ces différentes formes sont liées les unes aux autres et la façon exacte dont leurs centres métalliques leur permettent de rompre la triple liaison du N₂ restent un domaine de recherche actif.
Une nitrogénase remarquable, adaptée aux conditions extrêmes
« La nitrogénase découverte chez Methanocaldococcus infernus est remarquable car elle semble présenter des caractéristiques communes aux formes au molybdène, au vanadium et au fer. Ce type de nitrogénase pourrait s’apparenter à un ancêtre commun de toutes les nitrogénases, le système archaïque dont elles sont toutes issues. Elle pourrait donc révéler des principes communs à la réaction de la nitrogénase », explique Wagner. Les chercheurs ont réussi à isoler la nitrogénase directement à partir du microbe. Cette enzyme s’est révélée exceptionnellement stable à haute température, la protéine ne commençant à se dégrader qu’à 90 °C, et une partie d’entre elle ayant même survécu à 98 °C.
« Cela prouve que cette enzyme est conçue pour fonctionner dans des conditions où la plupart des protéines se dégraderaient rapidement, à l’image d’un blanc d’œuf cuit dans de l’eau chaude », explique la première auteure, Nevena Maslać, de l’Institut Max Planck de microbiologie marine. « Elle n’est pas active à température ambiante. Nous montrons au contraire qu’elle ne produit de l’ammoniac qu’à haute température. Son extrême stabilité nous a permis d’étudier des états de la nitrogénase qui sont habituellement difficiles à observer. »
Des méthodes de pointe pour une analyse moléculaire
Pour obtenir une image détaillée de cette nitrogénase, les chercheurs n’ont pas eu besoin de se rendre en eaux profondes, mais ils ont dû réaliser un véritable tour de force combinant physiologie microbienne, purification d’enzymes natives, biochimie et biologie structurale — le tout dans des conditions strictement exemptes d’oxygène afin d’éviter tout dommage irréversible à ses métallocofacteurs.
Pour ce faire, les chercheurs ont obtenu l’enzyme sous forme cristalline et l’ont étudiée à l’Institut de biologie structurale de Grenoble, en France. Ils y ont utilisé le synchrotron sur place, un accélérateur de particules circulaire produisant de puissants rayons X. Dans un premier temps, les scientifiques ont dévoilé la structure moléculaire de la nitrogénase. Ils ont ainsi obtenu une image à résolution quasi atomique de la nitrogénase la plus simple connue à ce jour. Celle-ci combine les caractéristiques structurelles des trois familles de nitrogénases connues : les nitrogénases à base de molybdène, de vanadium et de fer seul. Cela vient étayer l’hypothèse selon laquelle les nitrogénases ancestrales auraient pu être plus proches de cette enzyme archéenne que de leurs homologues bactériennes. Les chercheurs ont ensuite voulu s’assurer que la nitrogenase contenait bien le métallocofacteur à base de molybdène. « Notre recherche du molybdène a représenté un défi technique extrêmement complexe et a nécessité que les experts du synchrotron poussent leur instrument jusqu’à ses limites absolues », explique Wagner.
Au final, la mesure a non seulement révélé le signal caractéristique du molybdène, mais a également réservé une autre surprise : « Nous avons été stupéfaits de découvrir un état jusqu’alors inobservé dans une nitrogénase contenant du molybdène ! » Jusqu’à présent, cet état dit de « renouvellement », qui pourrait correspondre à une étape intermédiaire de la réaction, n’avait été observé que dans les formes contenant uniquement du vanadium ou du fer. Le fait d’observer cet état également dans une enzyme contenant du molybdène suggère que la nitrogénase suit universellement le même schéma pour décomposer le N₂.
De la chimie des grands fonds marins aux biotechnologies de demain
Une meilleure compréhension de la fixation de l’azote revêt une importance qui dépasse largement le cadre des grands fonds marins. Les micro-organismes fixateurs d’azote tels que M. infernus ne se contentent pas de rendre l’azote disponible sous forme d’ammoniac ; ils jouent également un rôle majeur dans le cycle du carbone terrestre en produisant la moitié du méthane présent dans l’atmosphère. À l’avenir, ces organismes pourraient potentiellement être étudiés en tant que plateformes biologiques permettant de convertir des gaz en produits utiles, notamment le méthane et l’ammoniac, en utilisant de l’hydrogène vert comme source d’énergie.
« Et si les cultures pouvaient un jour puiser leur azote directement dans le N₂ atmosphérique ? », s'interroge Wagner. Cela permettrait de réduire la dépendance de l'agriculture vis-à-vis des engrais industriels. Aujourd'hui, la production d'engrais par le procédé Haber-Bosch nécessite une quantité d'énergie considérable et est associée à des émissions de gaz à effet de serre, tandis que l'utilisation excessive d'engrais contribue à l'eutrophisation et à d'autres problèmes environnementaux. « Pour l’instant, cette étude apporte quelque chose de plus fondamental : une vision moléculaire actualisée de l’une des réactions chimiques les plus remarquables de la biologie. »
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