Des terres rares essentielles à certaines bactéries
Des bactéries vivant dans des mares de boue
acide exploitent dans leur métabolisme des éléments chimiques rarement
utilisés par les organismes vivants.
Sean Bailly / http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/actu-des-terres-rares-essentielles-a-certaines-bacteries-32370.php
Un ion cérium (en vert) serait présent au cœur de la structure d'une enzyme de la bactérie Methylacidiphilum fumariolicum. Cet élément, qui appartient à la famille des terres rares, est peu utilisé dans les processus biologiques.
T. Barends et al.Le cratère volcanique Solfatare, près de Naples, était considéré
comme l’entrée des Enfers par les Romains. On y trouve aujourd’hui des
mares de boue chaude et acide, où vivent des bactéries mal connues. Une
équipe de l’Université Radboud de Nimègue aux Pays-Bas et une autre de
l’Institut Max-Planck de recherche médicale à Heidelberg en Allemagne, y
ont étudié la bactérie Methylacidiphilum fumariolicum. Les
biologistes ont observé que ce micro-organisme ne se développe qu’en
présence de « terres rares» ; (lanthane, cérium, praséodyme,
néodyme, etc.). Or ces éléments n'interviennent habituellement pas dans
les processus biologiques. Les chercheurs ont montré que la bactérie
utilise ces terres rares pour synthétiser certaines enzymes essentielles
à son métabolisme.
La bactérie M. fumariolicum se développe dans des conditions extrêmes : une température optimale de l’ordre de 50 à 60 °C et un pH acide, compris entre 2 et 5. Ces conditions sont réunies dans les mares de boue de Solfatare, car certaines bactéries y produisent de l’acide sulfurique par oxydation du sulfure d’hydrogène émis par le volcan. M. fumariolicum utilise le méthane, abondant dans les mares, comme source d’énergie. Pour étudier son métabolisme, l’équipe de l’Université Radboud a cultivé la bactérie en laboratoire. Les chercheurs ont remarqué que celle-ci ne se développe qu'en présence d’eau provenant des mares de boue de Solfatare. Or celle-ci contient des terres rares à des concentrations 100 à 1 000 fois supérieures à celles existant en général à la surface de la Terre.
Indépendamment, Thomas Barends et ses collègues de l’Institut Max-Planck ont déterminé la structure d’une des enzymes, la méthanol déhydrogénase, intervenant dans le métabolisme de la bactérie, et y ont observé un ion métallique non-identifié. Cette enzyme est essentielle pour la croissance des bactéries car elle assure l’oxydation du méthanol – obtenu à partir du méthane gazeux des sources volcaniques – pour produire de l’énergie. En confrontant leurs observations, les deux équipes ont conclu que l’ion en question est un ion cérium, un élément des terres rares.
Les terres rares, ou lanthanides, sont des éléments très importants pour l’industrie, car ils sont utilisés dans de nombreux systèmes électroniques. Contrairement à ce qu’indique leur nom, ces éléments sont abondants dans l’écorce terrestre – dans des proportions comparables au cuivre ou d'autres métaux. Mais leur distribution est relativement homogène – leur concentration moyenne est donc faible – et ils sont peu solubles dans l'eau. Ainsi, ils sont peu disponibles pour les organismes biologiques et de ce fait, rarement utilisés.
Le métabolisme des organismes vivants intègre habituellement d’autres éléments métalliques. Le calcium est par exemple souvent utilisé dans certaines enzymes comme cofacteur – un élément qui participe activement aux réactions chimiques. Des études ont montré que les lanthanides pourraient remplacer le calcium de façon efficace. C'est dans ce sens que va le résultat de l'étude de T. Barends et ses collègues : si les terres rares sont disponibles en concentrations importantes, une enzyme du metabolisme de la bactérie M. fumariolicum inclut effectivement des lanthanides comme cofacteurs.
Ce métabolisme original a probablement été favorisé par une grande disponibilité des terres rares dans les mares de boue. Il pourrait être plus répandu. Certaines analyses génétiques laissent penser que du plancton vivant près des côtes et certaines bactéries vivant sur des plantes utilisent les terres rares dans leur métabolisme. En effet, le sable est une grande source de lanthanides, et certains végétaux peuvent en accumuler des concentrations importantes.
La bactérie M. fumariolicum se développe dans des conditions extrêmes : une température optimale de l’ordre de 50 à 60 °C et un pH acide, compris entre 2 et 5. Ces conditions sont réunies dans les mares de boue de Solfatare, car certaines bactéries y produisent de l’acide sulfurique par oxydation du sulfure d’hydrogène émis par le volcan. M. fumariolicum utilise le méthane, abondant dans les mares, comme source d’énergie. Pour étudier son métabolisme, l’équipe de l’Université Radboud a cultivé la bactérie en laboratoire. Les chercheurs ont remarqué que celle-ci ne se développe qu'en présence d’eau provenant des mares de boue de Solfatare. Or celle-ci contient des terres rares à des concentrations 100 à 1 000 fois supérieures à celles existant en général à la surface de la Terre.
Indépendamment, Thomas Barends et ses collègues de l’Institut Max-Planck ont déterminé la structure d’une des enzymes, la méthanol déhydrogénase, intervenant dans le métabolisme de la bactérie, et y ont observé un ion métallique non-identifié. Cette enzyme est essentielle pour la croissance des bactéries car elle assure l’oxydation du méthanol – obtenu à partir du méthane gazeux des sources volcaniques – pour produire de l’énergie. En confrontant leurs observations, les deux équipes ont conclu que l’ion en question est un ion cérium, un élément des terres rares.
Les terres rares, ou lanthanides, sont des éléments très importants pour l’industrie, car ils sont utilisés dans de nombreux systèmes électroniques. Contrairement à ce qu’indique leur nom, ces éléments sont abondants dans l’écorce terrestre – dans des proportions comparables au cuivre ou d'autres métaux. Mais leur distribution est relativement homogène – leur concentration moyenne est donc faible – et ils sont peu solubles dans l'eau. Ainsi, ils sont peu disponibles pour les organismes biologiques et de ce fait, rarement utilisés.
Le métabolisme des organismes vivants intègre habituellement d’autres éléments métalliques. Le calcium est par exemple souvent utilisé dans certaines enzymes comme cofacteur – un élément qui participe activement aux réactions chimiques. Des études ont montré que les lanthanides pourraient remplacer le calcium de façon efficace. C'est dans ce sens que va le résultat de l'étude de T. Barends et ses collègues : si les terres rares sont disponibles en concentrations importantes, une enzyme du metabolisme de la bactérie M. fumariolicum inclut effectivement des lanthanides comme cofacteurs.
Ce métabolisme original a probablement été favorisé par une grande disponibilité des terres rares dans les mares de boue. Il pourrait être plus répandu. Certaines analyses génétiques laissent penser que du plancton vivant près des côtes et certaines bactéries vivant sur des plantes utilisent les terres rares dans leur métabolisme. En effet, le sable est une grande source de lanthanides, et certains végétaux peuvent en accumuler des concentrations importantes.
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