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Observation en microscopie électronique en transmission de la bactérie magnétotactique Magnetospirillum magneticum souche AMB-1. Les cristaux de magnétite (structures foncées, opaques aux électrons) sont organisés en chaînes au sein de la cellule. © Amor et al. Science 2016. La photographie a été réalisée par Matthieu AMOR.
Des chercheurs de l'Institut de Physique du Globe de Paris (CNRS, Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité), de l'Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie (CNRS, UPMC, IRD, MNHN, Sorbonne Universités), et de la société Nanobactérie ont découvert une anomalie isotopique du fer spécifique aux magnétites synthétisées par les bactéries magnétotactiques. Ces travaux ont été publiés dans la revue Science.
Les bactéries magnétotactiques synthétisent, au sein de leur cellule, des chaînes de cristaux nanométriques de magnétite (Fe3O4) qui les transforment en aimants, et leur permettent de s'aligner suivant les lignes du champ magnétique terrestre. A quel moment de l'histoire de la Vie et de la Terre, et dans quelles circonstances, cette capacité de nanofabrication que les nanotechnologies ne sont pas encore parvenues à égaler est-elle apparue ? On manque de traces fossiles identifiables de ces objets dans les archives géologiques anciennes pour répondre à cette question. Lorsque ces bactéries meurent, leur magnétite se dépose bien au sein des sédiments, mais la signature du microorganisme qui en était à l'origine est très difficilement conservée. Des méthodes reposant sur la structure et les propriétés magnétiques des cristaux ont été proposées de longue date mais n'ont pu, jusqu'à aujourd'hui, apporter de critères dépourvus d'ambigüité justifiant la recherche de nouveaux marqueurs de ce métabolisme potentiellement très ancien.
Afin de développer un nouvel outil permettant d'identifier les fossiles de bactéries magnétotactiques, les chercheurs ont mesuré la composition isotopique du fer de cristaux de biomagnétite produits en laboratoire en cultivant une souche bactérienne. Une telle analyse nécessite de produire des quantités relativement importantes de magnétites bactériennes purifiées, et de bien débarrasser les cristaux de la fraction organique les entourant afin d'obtenir leurs compositions isotopiques avec une précision suffisante. Ceci a été possible grâce à la société Nanobactérie, liée à l'IMPMC, qui développe des applications thérapeutiques des magnétites bactériennes et doit pour cela répondre à des exigences similaires.
A l'issue de ce travail, une signature isotopique très particulière du fer des bactéries magnétotactiques a été découverte. Rappelons que la principale différence entre deux isotopes d'un même élément est leur différence de masse et les variations isotopiques dans des échantillons naturels sont généralement proportionnelles aux écarts de masse entre les isotopes. Etonnamment, les biomagnétites étudiées se sont révélées enrichies en isotope impair du fer (57Fe) relativement aux isotopes pairs (54Fe, 56Fe, 58Fe), c'est-à-dire d'une manière dite indépendante de la masse. De telles anomalies avaient déjà été observées pour d'autres éléments chimiques comme le mercure ou le soufre, mais n'avaient jamais été identifiées, dans aucun objet naturel ou artificiel, dans le cas des isotopes du fer.
Le mécanisme d'acquisition de cette signature isotopique très particulière dans les bactéries magnétotactiques reste à élucider mais pourrait être lié aux propriétés électroniques (dites de spin) du fer lors de la synthèse de ces cristaux de magnétite dans les cellules. Au-delà de la découverte d'un nouveau mécanisme de fractionnement des isotopes du fer, ces travaux ont d'importantes implications pour l'identification des fossiles de bactéries magnétotactiques dans des échantillons terrestres ou extraterrestres. Des cristaux de magnétite ont par exemple été observés au sein de la météorite martienne ALH84001, et ont été proposés, de façon très controversée, comme ayant été produits par des bactéries magnétotactiques ayant évolué sur Mars. L'analyse de la composition isotopique de ces échantillons devrait permettre de mieux contraindre leur origine réelle.
Publication:
Mass-dependent and -independent signature of Fe isotopes in magnetotactic bacteria, Matthieu Amor,(1),(2*) Vincent Busigny,(1*) Pascale Louvat,(1) Alexandre Gélabert,(1) Pierre Cartigny,(1) Mickaël Durand-Dubief,(3) Georges Ona-Nguema,( 2) Edouard Alphandéry,(2),(3) Imène Chebbi,(3) François Guyot (2), SCIENCE 5 may 2016, sciencemag.org
(1)-Institut de Physique du Globe de Paris, Sorbonne Paris Cité, Université Paris Diderot,
(2)-Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie, Sorbonne Universités, Université Pierre et Marie Curie, Institut de Recherche pour le Développement, Museum National d'Histoire Naturelle,
(3)-Nanobactérie SARL, Paris,
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