Écrit dans la pierre

Dans son bureau du bâtiment 68, Dianne Newman conserve un rocher poli et sphérique rayé de bandes de fer. Présentes sur tous les continents, ces roches sont la source la plus courante de minerai de fer. Et pour Newman, des spécimens comme cet exemple vieux de 2,4 milliards d'années fournissent des informations qui pourraient aider à démêler une partie très noueuse de l'histoire de la Terre. Quand les anciens microbes ont-ils commencé à produire l'oxygène que nous respirons, et de quel type de microbes s'agissait-il ?

Newman n'avait pas l'intention de passer sa carrière à explorer de telles questions. Elle est arrivée au MIT en 1993 pour obtenir une maîtrise en ingénierie, pensant qu'elle travaillerait dans le domaine pendant quelques années avant d'aller à la faculté de droit pour devenir conseil en brevets. Mais un cours de microbiologie environnementale l'a laissée fascinée par la diversité des métabolismes des bactéries - les réactions chimiques qu'elles effectuent pour vivre. J'ai appris que les bactéries pouvaient manger des composés toxiques et les transformer en composés bénins, se souvient-elle. Un projet qui a incité des bactéries à convertir l'arsenic en matériau semi-conducteur l'a amenée à s'intéresser à la façon dont les bactéries auraient pu façonner la composition chimique de la Terre, et elle est passée au département de géosciences, où elle a obtenu son doctorat. Après sept ans à Caltech, elle a rejoint la faculté du MIT en 2007 en tant que professeur de biologie et de géobiologie.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 2008

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Les microbes sont les meilleurs chimistes de la planète, s'émerveille Newman. Assez bien, en fait, pour avoir remodelé son environnement. Lorsque notre système solaire s'est formé il y a 4,5 milliards d'années, l'atmosphère terrestre était presque dépourvue d'oxygène. Les premières formes de vie unicellulaires, apparues il y a environ 3,8 milliards d'années, vivaient probablement dans les mers et avaient des métabolismes qui ne nécessitaient pas d'oxygène ni n'en produisaient comme sous-produit. Certains d'entre eux vivaient de fer ; leurs processus métaboliques ont modifié l'état chimique du fer et créé les dépôts dans la roche de Newman. D'autres se nourrissaient probablement de soufre.

Et puis quelque chose s'est produit qui a rendu possible la vie animale et végétale telle que nous la connaissons. Certaines bactéries ont commencé à utiliser la lumière du soleil pour diviser l'eau en hydrogène, qu'elles utilisaient pour fabriquer du carburant, et en oxygène, qu'elles libéraient sous forme de déchets. Grâce à la photosynthèse oxygénée, l'atmosphère et les eaux océaniques les moins profondes avaient des niveaux importants d'oxygène il y a environ 2,4 milliards d'années ; il y a environ 540 millions d'années, les niveaux d'oxygène étaient comparables à ceux observés aujourd'hui.

La question de savoir quel organisme a commencé à produire de l'oxygène, et quand, est l'un des grands mystères de l'histoire de la Terre. C'est un problème vraiment difficile mais vraiment séduisant, dit Newman.

Pour y répondre, Newman et d'autres au MIT et dans le monde se concentrent sur des roches comme celle de son bureau. Tout comme les os de dinosaures, les restes de bactéries vivant dans les mers anciennes ont été incorporés dans la roche pendant des millions (dans le cas des bactéries, des milliards) d'années. Les chercheurs savent que certains composés ne sont fabriqués que par des processus effectués dans des organismes vivants. Par conséquent, lorsqu'ils voient de tels composés dans une roche, cela signifie que la roche reflète des traces de vie ancienne. Les géobiologistes interprètent ces fossiles bactériens en comparant les composés chimiques qu'ils contiennent avec ceux créés par les bactéries modernes qui reposent encore sur d'anciens processus métaboliques. Grâce à une telle analyse, ils espèrent déterminer quels microbes ont fabriqué les composés chimiques laissés dans les roches. Vous devez examiner la fonction de ces produits chimiques dans de nombreux organismes vivants, explique Newman. Ce genre de logique nous relie au passé.

L'une des traces chimiques les plus importantes laissées par les bactéries anciennes est un groupe de composés appelés 2-méthyl-BHP. En 1999, Roger Summons, professeur de géobiologie au MIT, et ses collègues ont découvert ces composés dans des roches vieilles de 2,5 milliards d'années du bassin de Hamersley en Australie occidentale. Ces roches, provenant d'une mine de fer, sont similaires à celles polies du bureau de Newman. Aujourd'hui, les photosynthétiseurs producteurs d'oxygène appelés cyanobactéries sont les principaux producteurs de ces BHP. Pour cette raison et bien d'autres, y compris certaines caractéristiques du site de Hamersley, Summons et d'autres ont interprété la découverte comme une preuve que les cyanobactéries effectuaient la photosynthèse moderne il y a 2,5 milliards d'années. La logique était que ces composés sont fabriqués par des cyanobactéries ; les cyanobactéries font la photosynthèse oxygénée; donc la photosynthèse oxygénée se déroulait à cette époque, dit Newman.

Newman pense que ses propres recherches jettent le doute sur cette conclusion. Elle a étudié une autre souche de bactéries qui produisent des BHP : les bactéries dites violettes, qui ne peuvent pas utiliser l'eau pour produire de l'oxygène. Au lieu de cela, ils oxydent le fer, l'hydrogène ou divers composés organiques. Nous essayons de comprendre la fonction des [BHP] dans les cellules qui les fabriquent aujourd'hui, dit-elle. Nos résultats préliminaires indiquent que les BHP n'ont aucun lien direct avec la photosynthèse. Summons, qui collabore avec Newman sur certaines de ses recherches, ne prend pas son scepticisme personnellement; il est convaincu que son travail conduira à des informations importantes sur ces composés et, en particulier, pourquoi et comment les bactéries les fabriquent. Cependant, il souligne également que ses découvertes ne réfutent pas la théorie selon laquelle les traces chimiques laissées par les cyanobactéries sont préservées à Hamersley.

Pendant ce temps, les travaux de Newman avec des composés bactériens connus sous le nom de phénazines mettent en lumière un problème plus immédiat que le mystère de la formation de notre air riche en oxygène. En changeant la façon dont les scientifiques comprennent ces molécules organiques, ses recherches pourraient conduire à de nouveaux traitements pour les infections bactériennes chroniques.

Les phénazines ont longtemps été classées comme des métabolites secondaires, des sous-produits des processus qui produisent des composés métaboliques plus critiques. Ils sont également connus depuis longtemps pour agir comme des antibiotiques. Mais Newman a démontré que les phénazines ont également des effets profonds sur la survie et le développement microbiens.

Newman a eu l'idée de cette recherche en étudiant des bactéries qui, aussi étrange que cela puisse paraître, utilisent des roches contenant du fer pour respirer. Les humains utilisent de l'oxygène pour brûler le carbone dans, disons, un sandwich au thon, créant de l'énergie ; le rôle de l'oxygène est d'accepter les électrons du carbone. Le fer joue un rôle similaire pour les bactéries qui respirent les roches, qui obtiennent leur énergie lorsqu'elles transfèrent les électrons des composés contenant du carbone comme le glucose au fer dans les roches. Ce n'est pas respirer dans le sens humain - le fer lui-même ne pénètre pas dans les cellules, comme l'oxygène pénètre dans nos poumons. Au contraire, les bactéries respirant les roches transmettent un courant électrique au fer à l'aide de molécules qui agissent comme des navettes d'électrons. Ces molécules transportent des électrons d'une cellule bactérienne à l'autre et finalement à la surface d'une roche ferreuse, comme les mains d'un public transportant une rock star en train de surfer. Newman et ses collègues émettent l'hypothèse que les phénazines pourraient agir comme des navettes d'électrons dans d'autres bactéries.

S'ils ont raison, leur perspicacité pourrait avoir des implications plus larges, car elle aborde ce que Newman appelle un problème générique auquel les bactéries sont confrontées se développant sur n'importe quelle surface. Peu de bactéries vivent seules. Peu importe où et comment elles tirent leur énergie - qu'elles savourent les sucres dans les crevasses de vos dents ou qu'elles aspirent du soufre des évents sous-marins - la plupart des bactéries vivent dans des communautés épaisses et collantes appelées biofilms. À l'intérieur d'un biofilm, certains d'entre eux seront plus proches que d'autres des produits chimiques dont ils ont besoin pour conduire leurs réactions de production d'énergie. Alors que Newman réfléchissait à la façon dont les bactéries respirant le fer utilisent des navettes d'électrons pour transporter leurs électrons des profondeurs d'un biofilm à une surface rocheuse, elle s'est rendu compte que les bactéries se développant dans les biofilms de notre corps pourraient faire quelque chose de similaire.

Newman a décidé de tester l'importance des phénazines produites par l'agent pathogène humain Pseudomonas aeruginosa, qui provoque de graves infections chroniques chez les personnes atteintes de mucoviscidose ou dont le système immunitaire a été compromis. Vivant dans les poumons, ces bactéries rencontreraient le même problème que les roches qui respirent des mondes lointains : celles qui se trouvent au milieu du biofilm seraient isolées d'un substrat énergétique important, en l'occurrence l'oxygène.

Pour tester si ces bactéries pouvaient utiliser les phénazines pour surmonter les défis de la vie en communauté, les chercheurs du laboratoire de Newman en ont conçu deux souches mutantes. Une souche ne pouvait pas faire de phénazines, tandis que l'autre en faisait en grande quantité. Lorsque Newman et ses collaborateurs ont cultivé la bactérie dans des boîtes de Pétri, ils ont constaté des différences dans l'architecture de leurs communautés. La souche surproductrice a grandi en une couche serrée et lisse, étalée comme Los Angeles. La souche sans phénazine s'est également étendue sur une grande surface mais a grandi dans de hautes tours, construites comme la ville de New York, vraisemblablement pour maximiser l'exposition de chaque cellule à l'oxygène de l'air.

Ces résultats sont prometteurs ; maintenant Newman doit effectuer des tests pour voir comment les deux souches mutantes se développent dans les poumons. Si Pseudomonas a besoin de phénazines pour survivre, les chercheurs pourraient, en théorie, développer des thérapies qui empêchent les bactéries de les synthétiser ou de les utiliser ; qui pourraient aider à éradiquer les infections chroniques.

L'accès à l'oxygène aujourd'hui est tout autant un problème que l'accès à un minéral l'était dans le passé, dit Newman. Ce sont justement ces connexions qui font de la géobiologie une veine de connaissances riche et surprenante, non seulement sur l'histoire de la planète, mais aussi sur notre présent.

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