Communication entre bactéries et production de biohydrogène

Publié par Adrien le 01/03/2015 à 12:00
Source: CNRS-INSB
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La production de Biohydrogène, un biocarburant de 3eme génération, à partir de la dégradation de la biomasse constitue une opportunité pour la production d'énergie renouvelable sans émission de gaz à effet de serre. Sa maîtrise nécessite d'élucider les mécanismes des interactions microbiennes. L'équipe de Marie Thérèse Giudici-Orticoni du laboratoire de Bioénergétique et ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la...) des protéines, en collaboration le laboratoire de Biotechnologie (L’OCDE définit la biotechnologie comme « l’application des principes...) de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...), a mis en évidence des interactions physiques et métaboliques au sein d'un consortium bactérien impliqué dans la dégradation de la biomasse. Ces interactions permettent aux bactéries de se développer dans des conditions de stress nutritionnel, et augmentent la production de biohydrogène. Ces travaux, publiés dans la revue Nature Communication, ouvrent la voie à de nouvelles approches pour la production contrôlée de biohydrogène à partir de la biomasse.


Figure: L'échange de matériel cytoplasmique entre [i] C.acetobutylicum et D. vulgaris conduit à une production de dihydrogène (Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe...) (H2) plus importante par C. acetobutylicum. C. acetobutylicum est marquée par la calcéine (en vert), D. vulgaris marquée par mCherry (en rouge). La couleur jaune indique la présence des deux fluorophores au même endroit dans la bactérie (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées...). Echelle = 4 µm.
© M-T Giudici.[/i]

Le métabolisme bactérien est, en général, abordé par l'étude de systèmes modèles, se développant en culture pure en conditions optimales ou dans des conditions très spécifiques de stress. Ces travaux ont largement contribué à la compréhension des grandes voies métaboliques. Toutefois, dans la nature, ces conditions idéales n'existent pas et les bactéries sont soumises à différents stress et coexistent avec d'autres, formant une "société avancée" impliquée, entre autres, dans les grands cycles géochimiques (carbone, soufre, azote...). Les interactions métaboliques mises en place font que le phénotype de cette communauté ne correspond pas au génotype (Le génotype est l'ensemble ou une partie donnée de la composition génétique...) des éléments qui la constituent.

Dans des environnements anaérobies, la dégradation de la biomasse qui conduit à la production de biogaz, fait intervenir différentes espèces et nécessite un couplage et une synchronisation métabolique forte afin d'optimiser cette dégradation en évitant tout effet d'inhibition. Afin de mieux appréhender ces processus, les chercheurs ont constitué un consortium synthétique de deux bactéries, Clostridium et Desulfovibrio, présentes dans les consortia impliqués dans la dégradation de la biomasse. Ces deux bactéries sont connues, l'une (Clostridium) comme étant responsable de la production d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) via la fermentation (La fermentation est une réaction biochimique de conversion de l'énergie chimique contenue...) des sucres, l'autre (Desulfovibrio) comme étant impliquée, en fonction des conditions environnementales, dans la production ou la consommation d'hydrogène.

Dans des conditions environnementales telles qu'une seule des deux bactéries (Clostridium) puisse se développer en culture pure, l'imagerie de fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par l'excitation d'une molécule...) a permis aux chercheurs de démontrer l'existence d'interactions physiques entre les deux bactéries, interactions associées à un échange de molécules cytoplasmiques qui permettent la croissance des deux bactéries simultanément dans le consortium. L'ajout des substrats spécifiques de chacune des bactéries conduit à la disparition de ces interactions, démontrant que ces interactions sont liées au stress nutritionnel. Ces travaux novateurs soulignent de plus qu'il s'agit là d'un comportement générique lors d'un stress nutritionnel en condition anaérobie (On appelle milieu anaérobie un milieu où il n'y a pas présence de dioxygène (O2).).

En parallèle, une analyse métabolique démontre que ces interactions ont un impact sur le flux de carbone dans Clostridium et conduisent à une production de biohydrogène trois fois plus importante, cinq fois plus rapide et beaucoup plus stable dans le cadre du consortium comparé à celle d'une culture pure.

Ces modifications métaboliques suggèrent que la compréhension du métabolisme et de sa régulation au sein de consortia bactériens offre une voie d'ingénierie écologique des écosystèmes bactériens, au moins aussi efficace, voire plus, que ceux obtenus par mutagénèse pour contrôler et modifier les voies métaboliques pour la production de biogaz.

Ces travaux, en plus de leur apport à la compréhension fine du fonctionnement d'un consortium bactérien, ouvrent donc une perspective majeure dans le domaine de la production de biohydrogène, biocarburant de 3ème génération. Ils permettent en effet d'envisager une conduite raisonnée et optimisée des processus microbiens ancrée sur la connaissance des métabolismes et des interactions entre populations. Alors que cette approche était inimaginable quelques années auparavant, les progrès réalisés et à venir dans les domaines de la physiologie (La physiologie (du grec φύσις, phusis, la nature, et...) et du contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) métabolique permettent d'obtenir des réponses sur le fonctionnement et le contrôle d'un écosystème complexe.
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