Méthanosarcine -Methanosarcina

Méthanosarcina
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Methanosarcina barkeri fusaro
Classement scientifique
Domaine:
Archées
Royaume:
Euryarchaeota
Phylum:
Euryarchaeota
Classer:
Méthanomicrobienne
Commander:
Méthanosarcinales
Famille:
Méthanosarcinacées
Genre:
Méthanosarcina
Nom binomial
Méthanosarcina
Kluyver et van Niel 1936
Espèce

Methanosarcina est un genre d' archées euryarchéotes produisant du méthane . Ces organismes unicellulaires sont connus sous le nom de méthanogènes anaérobies qui produisent du méthane en utilisant les trois voies métaboliques pour la méthanogenèse . Ils vivent dans des environnements divers où ils peuvent rester à l'abri des effets de l'oxygène, que ce soit à la surface de la terre, dans les eaux souterraines, dans les bouches d'aération des grands fonds et dans le tube digestif des animaux. Methanosarcina pousse en colonies.

L'acide aminé pyrrolysine a été découvert pour la première fois chez une espèce de Methanosarcina , M. barkeri . Des versions primitives de l' hémoglobine ont été trouvées chez M. acetivorans , suggérant que le microbe ou un ancêtre de celui-ci pourrait avoir joué un rôle crucial dans l'évolution de la vie sur Terre. Les espèces de Methanosarcina sont également connues pour leurs génomes inhabituellement grands. M. acetivorans possède le plus grand génome connu de tous les archéons.

Selon une théorie publiée en 2014, Methanosarcina pourrait avoir été en grande partie responsable du plus grand événement d'extinction de l'histoire de la Terre, l' événement d'extinction Permien-Trias . La théorie suggère que l'acquisition d'une nouvelle voie métabolique via le transfert de gènes suivi d' une reproduction exponentielle a permis au microbe de consommer rapidement de vastes dépôts de carbone organique dans les sédiments marins, entraînant une forte accumulation de méthane et de dioxyde de carbone dans les océans et l'atmosphère de la Terre qui a tué environ 90 % des espèces du monde. Cette théorie pourrait mieux expliquer le niveau d'isotope de carbone observé dans les dépôts d'époque que d'autres théories telles que l'activité volcanique.

Methanosarcina est utilisé dans le traitement des eaux usées depuis le milieu des années 1980. Les chercheurs ont cherché des moyens de l'utiliser comme source d'énergie alternative. Les souches de Methanosarcina ont été cultivées en morphologie unicellulaire ( Sowers et al. 1993 ) à 35 °C dans un milieu de bouillon HS contenant 125 mM de méthanol plus 40 mM d'acétate de sodium (milieu HS-MA).

Aperçu

Methanosarcina est peut-être le seul méthanogène anaérobie connu qui produit du méthane en utilisant les trois voies métaboliques connues pour la méthanogenèse . La méthanogenèse est essentielle à l'industrie du traitement des déchets et le méthane produit biologiquement représente également une importante source de carburant alternative. La plupart des méthanogènes produisent du méthane à partir de dioxyde de carbone et d' hydrogène gazeux. D'autres utilisent l' acétate dans la voie acétoclastique . En plus de ces deux voies, les espèces de Methanosarcina peuvent également métaboliser des composés à un carbone méthylés par méthanogénèse méthylotrophe . De tels composés à un carbone comprennent les méthylamines , le méthanol et les méthylthiols . Seules les espèces de Methanosarcina possèdent les trois voies connues de la méthanogenèse et sont capables d'utiliser pas moins de neuf substrats méthanogènes, dont l'acétate.

Methanosarcina sont les méthanogènes les plus divers au monde en termes d' écologie . On les trouve dans des environnements tels que les décharges, les tas d'égouts, les évents en mer profonde, les eaux souterraines profondes et même dans l'intestin de nombreux ongulés différents , notamment les vaches, les moutons, les chèvres et les cerfs. Methanosarcina ont également été trouvés dans le tube digestif humain. M. barkeri peut supporter des variations de température extrêmes et se passer d'eau pendant de longues périodes. Il peut consommer une variété de composés ou survivre uniquement grâce à l'hydrogène et au dioxyde de carbone. Il peut également survivre dans des environnements à faible pH qui sont généralement dangereux pour la vie. Notant son extrême polyvalence, le biologiste Kevin Sowers a postulé que M. barkeri pourrait même survivre sur Mars. Methanosarcina se développe en colonies et montre une différenciation cellulaire primitive.

En 2002, l'acide aminé pyrrolysine a été découvert dans M. barkeri par des chercheurs de l' Ohio State University . Des recherches antérieures menées par l'équipe avaient montré qu'un gène de M. barkeri avait un codon ambre dans le cadre (UAG) qui ne signalait pas la fin d'une protéine, comme on s'y attendrait normalement. Ce comportement a suggéré la possibilité d'un acide aminé inconnu qui a été confirmé sur plusieurs années en découpant la protéine en peptides et en les séquençant. La pyrrolysine a été le premier acide aminé génétiquement codé découvert depuis 1986, et le 22e au total. Il a ensuite été retrouvé dans toute la famille des Methanosarcinaceae ainsi que dans une seule bactérie, Desulfitobacterium hafniense .

Les deux acetivorans M. et M. mazei ont exceptionnellement grands génomes . En août 2008, M. acetivorans possédait le plus grand génome archéen séquencé avec 5 751 492 paires de bases . Le génome de M. mazei compte 4 096 345 paires de bases.

Les membranes cellulaires de Methanosarcina sont constituées de lipides relativement courts, principalement d'hydrocarbures en C25 et d'éthers en C20. La majorité des autres méthanogènes contiennent des hydrocarbures en C30 et un mélange d'éthers en C20 et C40.

Rôle dans le développement précoce de la vie sur Terre

En 2004, deux versions primitives de l' hémoglobine ont été découvertes chez M. acetivorans et un autre archéon , Aeropyrum pernix . Connues sous le nom de protoglobines , ces globines se lient à l'oxygène tout comme l'hémoglobine. Chez M. acetivorans , cela permet d'éliminer l'oxygène indésirable qui serait autrement toxique pour cet organisme anaérobie. Les protoglobines peuvent donc avoir créé une voie pour l'évolution de formes de vie ultérieures qui dépendent de l'oxygène. À la suite du grand événement d'oxygénation , une fois qu'il y avait de l'oxygène libre dans l'atmosphère terrestre, la capacité de traiter l'oxygène a conduit à un rayonnement étendu de la vie et constitue l'une des étapes les plus fondamentales de l'évolution des formes de vie de la Terre.

Inspirée par M. acetivorans , une équipe de chercheurs de Penn State dirigée par James G. Ferry et Christopher House a proposé une nouvelle "théorie thermodynamique de l'évolution" en 2006. Il a été observé que M. acetivorans convertit le monoxyde de carbone en acétate , les scientifiques ont émis l'hypothèse que les premières "proto-cellules" attachées au minéral pourraient avoir utilisé de la même manière des enzymes primitives pour générer de l'énergie tout en excrétant de l'acétate. La théorie cherchait ainsi à unifier la théorie « hétérotrophe » de l'évolution précoce, où la soupe primordiale de molécules simples est née de processus non biologiques, et la théorie « chimio-autotrophe », où les premières formes de vie ont créé les molécules les plus simples. Les auteurs ont observé que bien que « le débat entre les théories hétérotrophe et chimiotrophe tournait autour de la fixation du carbone », en réalité « ces voies ont d'abord évolué pour produire de l'énergie. Ensuite, elles ont évolué pour fixer le carbone ». Les scientifiques ont en outre proposé des mécanismes qui auraient permis à la proto-cellule liée aux minéraux de devenir libre et à l'évolution du métabolisme de l'acétate en méthane, en utilisant les mêmes voies énergétiques. Ils ont supposé que M. acetivorans était l'une des premières formes de vie sur Terre, un descendant direct des premières proto-cellules. La recherche a été publiée dans Molecular Biology and Evolution en juin 2006.

Récemment, des chercheurs ont proposé une hypothèse d'évolution pour l' acétate kinase et la phosphoacétyl transférase avec des preuves génomiques de Methanosarcina . Les scientifiques émettent l'hypothèse que l' acétate kinase pourrait être l'urkinase d'une grande superfamille de protéines qui comprend l' actine . Les preuves suggèrent que l'acétate kinase a évolué dans un ancien génome halophile de Methanosarcina par duplication et divergence du gène de l' acétyl coA synthétase .

Rôle dans l'événement d'extinction du Permien-Trias

Il a été émis l'hypothèse que la production de méthane de Methanosarcina pourrait avoir été l'une des causes de l' événement d'extinction du Permien-Trias . On estime que 70% des créatures coquillages sont mortes de l'acidification des océans, en raison de la surpopulation de Methanosarcina . Une étude menée par des chercheurs chinois et américains soutient cette hypothèse. En utilisant l'analyse génétique d'environ 50 génomes de Methanosarcina , l'équipe a conclu que le microbe avait probablement acquis la capacité de consommer efficacement de l' acétate en utilisant l' acétate kinase et la phosphoacétyl transférase il y a environ 240 ± 41 millions d'années, à peu près au moment de l'extinction il y a 252 millions d'années. Les gènes de ces enzymes peuvent avoir été acquis à partir d'une bactérie dégradant la cellulose par transfert de gènes .

Les scientifiques ont conclu que ces nouveaux gènes, combinés à des gisements de carbone organique largement disponibles dans l'océan et à un approvisionnement abondant en nickel , ont permis aux populations de Methanosarcina d'augmenter considérablement. Selon leur théorie, cela a conduit à la libération de méthane abondant sous forme de déchets. Ensuite, une partie du méthane aurait été décomposée en dioxyde de carbone par d'autres organismes. L'accumulation de ces deux gaz aurait entraîné une baisse spectaculaire des niveaux d'oxygène dans l'océan, tout en augmentant l' acidité . Les climats terrestres auraient simultanément connu une hausse des températures et des changements climatiques importants dus à la libération de ces gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Il est possible que l'accumulation de dioxyde de carbone et de méthane dans l'atmosphère ait finalement causé la libération de sulfure d'hydrogène gazeux, mettant davantage l'accent sur la vie terrestre. Les résultats de l'équipe ont été publiés dans les Actes de la National Academy of Sciences en mars 2014.

Les partisans de la théorie des microbes soutiennent qu'elle expliquerait mieux l'augmentation rapide, mais continue, du niveau d'isotope de carbone dans les dépôts de sédiments d'époque que l'éruption volcanique, qui provoque une augmentation des niveaux de carbone suivie d'un lent déclin. La théorie des microbes suggère que l'activité volcanique a joué un rôle différent, fournissant le nickel dont Methanosarcina avait besoin comme cofacteur . Ainsi, la théorie des microbes soutient que l'activité volcanique sibérienne a été un catalyseur, mais pas la principale cause de l'extinction de masse.

Utilisation par les humains

En 1985, Shimizu Construction a développé un bioréacteur qui utilise Methanosarcina pour traiter les eaux usées des usines de transformation des aliments et des papeteries. L'eau est introduite dans le réacteur où les microbes décomposent les particules de déchets. Le méthane produit par les bactéries est ensuite utilisé pour alimenter le réacteur, ce qui le rend peu coûteux à exploiter. Lors des tests, Methanosarcina a réduit la concentration des déchets de 5 000 à 10 000 parties par million (ppm) à 80 à 100 ppm. Un traitement supplémentaire était nécessaire pour terminer le processus de nettoyage. Selon un rapport de 1994 dans Chemistry and Industry , les bioréacteurs utilisant la digestion anaérobie par Methanothrix soehngenii ou Methanosarcina ont produit moins de sous-produits de boues que leurs homologues aérobies. Les réacteurs Methanosarcina fonctionnent à des températures allant de 35 à 55 °C et des plages de pH de 6,5 à 7,5.

Les chercheurs ont cherché des moyens d'utiliser plus largement les capacités de production de méthane de Methanosarcina comme source d'énergie alternative. En décembre 2010, des chercheurs de l'Université de l'Arkansas ont réussi à épisser un gène dans M. acetivorans qui lui a permis de décomposer les esters . Ils ont fait valoir que cela lui permettrait de convertir plus efficacement la biomasse en gaz méthane pour la production d'électricité. En 2011, il a été montré que la majeure partie du méthane produit lors de la décomposition dans les décharges provient de M. barkeri . Les chercheurs ont découvert que le microbe peut survivre dans des environnements à faible pH et qu'il consomme de l'acide, augmentant ainsi le pH et permettant à un plus large éventail de vies de s'épanouir. Ils ont fait valoir que leurs découvertes pourraient aider à accélérer les recherches sur l'utilisation du méthane généré par les archées comme source d'énergie alternative.

Remarques

Les références

Liens externes