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Des bactéries d'ingénierie pour récolter la lumière
Bactéries de laboratoire couramment utilisées appelées E. coli peuvent être convertis en organismes de récolte de lumière en une seule étape génétique, selon une nouvelle recherche du MIT. L'amélioration génétique permet aux micro-organismes qui tirent normalement leur énergie cellulaire des sucres de passer à un régime solaire. Ces découvertes pourraient finalement être utilisées pour modifier génétiquement des bactéries capables de produire plus efficacement des biocarburants, des médicaments et d'autres produits chimiques.
Bactéries illuminées : E. coli modifié pour exprimer la protéine protéorhodopsine est illustré ci-dessus sous une lumière fluorescente. Lorsqu'elle est activée par la bonne longueur d'onde de la lumière, la protéine alimente le moteur flagellaire de la cellule, lui permettant de se déplacer. Dans ce cas, la protéine absorbe la lumière verte : lorsque la lumière verte est braquée sur la bactérie, elle se déplace (rangée du bas). Lorsque la lumière rouge est allumée, elle reste immobile (rangée du haut).
Certaines bactéries, comme les cyanobactéries, utilisent la photosynthèse pour fabriquer des sucres, tout comme les plantes. Mais d'autres ont une capacité nouvellement découverte de récolter la lumière par un mécanisme différent : en utilisant des protéines activées par la lumière appelées protéorhodopsines, qui sont similaires aux protéines trouvées dans nos rétines. Lorsque la protéine est liée à une molécule photosensible appelée rétine et frappée par la lumière, elle pompe des protons chargés positivement à travers la membrane cellulaire. Cela crée un gradient électrique qui agit comme une source d'énergie, un peu comme la tension, ou force électromotrice, fournie par les batteries.
Découverts pour la première fois dans des organismes marins en 2000, les scientifiques ont récemment découvert que les gènes du système protéorhodopsine - essentiellement un module génétique qui comprend les gènes qui codent à la fois pour la protéine et les enzymes nécessaires à la production de rétine - sont fréquemment échangés entre différents micro-organismes dans l'océan. . (Alors que nous pensons généralement aux gènes transmis du parent à la progéniture, les micro-organismes peuvent échanger des morceaux d'ADN latéralement.)
Intrigués par la perspective qu'un seul morceau d'ADN soit vraiment tout ce dont un organisme a besoin pour récolter l'énergie de la lumière, les chercheurs l'ont inséré dans E. coli . Ils ont découvert que les micro-organismes synthétisaient tous les composants nécessaires et les assemblaient dans la membrane cellulaire, en utilisant le système pour générer de l'énergie. Tout ce qu'il faut pour tirer de l'énergie de la lumière du soleil, c'est ce morceau d'ADN, dit Ed Delong , professeur de génie biologique au MIT et auteur de l'étude. Les résultats ont été publiés la semaine dernière dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .
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Regardez une vidéo d'une bactérie illuminée.
Les résultats ont des implications à la fois pour l'écologie marine et pour la biologie synthétique, un domaine émergent qui vise à concevoir et à construire de nouvelles formes de vie pouvant remplir des fonctions utiles. Des études génomiques géantes de l'océan ont montré que le système de la rhodopsine est étonnamment répandu. Le fait qu'un seul transfert de gène puisse aboutir à une fonctionnalité entièrement nouvelle permet d'expliquer comment ce module génétique a voyagé si largement. En fait, pour les microbes, ce type d'échange de modules peut être la règle plutôt que l'exception. Un nouveau paradigme émerge en microbiologie : [les micro-organismes] sont beaucoup plus fluides que nous ne le pensions, dit Ford Doolittle , Chaire de recherche du Canada en génomique comparative à l'Université Dalhousie, en Nouvelle-Écosse.
Ces découvertes et d'autres recherches sur les protéorhodopsines pourraient fournir aux ingénieurs biologistes un nouvel outil avec lequel bricoler. Un article publié le mois dernier par Jan Liphardt et ses collègues de l'Université de Californie à Berkeley, ont montré que E. coli conçu pour avoir une pompe à protéorhodopsine peut facilement basculer entre les sources d'énergie : lorsque les bactéries sont privées de leur approvisionnement énergétique régulier, elles utilisent l'énergie lumineuse pour entraîner leur moteur flagellaire, une queue rotative que les bactéries utilisent pour nager. Plus il y a de lumière, plus le moteur va vite.
Les pompes à rhodopsine pourraient éventuellement être intégrées aux microbes couramment utilisés pour produire des médicaments et d'autres produits chimiques. Ces usines bactériennes manquent parfois d'énergie. Grâce à ces pompes à protons actionnées par la lumière, les bactéries peuvent être énergisées par la lumière pour augmenter leurs rendements en métabolites ou en substances pharmacologiquement actives, explique John L. Spudich , professeur de microbiologie et de génétique moléculaire à la faculté de médecine de l'Université du Texas, à Houston. Un regain d'énergie cellulaire pourrait s'avérer particulièrement utile avec la dernière tendance en matière de production bactérienne : la conception de microbes pour produire des biocarburants.
C'est un peu comme créer une voiture hybride, dit le MIT Delong . Au lieu de compléter le gaz avec de l'énergie stockée dans une batterie, les cellules peuvent compléter leur métabolisme énergétique avec de la lumière.