Communication entre bactéries et production de biohydrogène
Publié par Adrien le 01/03/2015 à 12:00
Source: CNRS-INSB
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 responsabilité de la construction et au contrôle des...) des protéines, en collaboration le laboratoire de Biotechnologie (L’OCDE définit les biotechnologies comme "l’application de la science et de la technologie aux organismes vivants à d’autres matériaux vivants ou...) de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement...), a mis en évidence des interactions physiques et métaboliques au sein d'un consortium bactérien impliqué dans la dégradation de la biomasse ( En écologie, la biomasse est la quantité totale de matière (masse) de toutes les espèces vivantes présentes dans un milieu naturel donné. Dans...). Ces interactions permettent aux bactéries de se développer dans des conditions de stress (Le stress (« contrainte » en anglais), ou syndrome général d'adaptation, est l'ensemble des réponses d'un organisme...) 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 (H2) plus importante par C. acetobutylicum. C. acetobutylicum est marquée par la calcéine (en vert), D. vulgaris marquée par mCherry (en rouge). La couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :) indique la présence des deux fluorophores au même endroit dans la bactérie (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent une paroi cellulaire glucidique, le...). Echelle = 4 µm.
© M-T Giudici.[/i]

Le métabolisme (Le métabolisme est l'ensemble des transformations moléculaires et énergétiques qui se déroulent de manière ininterrompue dans la cellule ou l'organisme vivant. C'est un processus ordonné,...) bactérien est, en général, abordé par l'étude de systèmes modèles, se développant en culture (La définition que donne l'UNESCO de la culture est la suivante [1] :) 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 (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et...) une "société avancée" impliquée, entre autres, dans les grands cycles géochimiques (carbone, soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.), azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote N2, constituant majoritaire de...)...). 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 (information génétique) d'un individu. Le génotype d'un individu est donc la composition allélique de tous les...) des éléments qui la constituent.

Dans des environnements anaérobies, la dégradation de la biomasse qui conduit à la production de biogaz (Le biogaz est le gaz produit par la fermentation de matières organiques animales ou végétales en l'absence d'oxygène.), fait intervenir différentes espèces et nécessite un couplage et une synchronisation métabolique forte afin d'optimiser cette dégradation en évitant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) effet d'inhibition. Afin de mieux appréhender ces processus, les chercheurs ont constitué un consortium synthétique de deux bactéries, Clostridium (Le genre Clostridium est un genre bactérien regroupant des bacilles gram positifs anaérobies souvent sporulés, anaérobies strict pour la plupart, mobiles en général par l'intermédiaire de flagelles...) 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 dans une source de carbone (souvent du glucose) en une autre...) 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 (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par...) de fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière froide »). Elle peut servir à caractériser un...) 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 (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans...) de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) 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 (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se rattache au plan scientifique à l'automatique.) 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 (Les biocarburants (ou agrocarburants) au sens strict sont des carburants liquides produits à partir de plantes cultivées. Suivant les filières, on cherche à produire de l'huile ou de l'alcool par fermentation...) 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 λόγος, logos, l'étude, la science) étudie le rôle, le...) et du contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) métabolique permettent d'obtenir des réponses sur le fonctionnement et le contrôle d'un écosystème complexe.
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