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Pourquoi les termites Guts pourraient apporter de meilleurs biocarburants
Les scientifiques séquencent les génomes de communautés microbiennes entières dans l'espoir de découvrir de nouveaux gènes et organismes qui peuvent créer du carburant, extraire des métaux ou nettoyer des sites de superfonds. Connu sous le nom de métagénomique, le domaine repose sur l'étude de morceaux d'ADN provenant d'une variété d'organismes qui vivent au même endroit. Grâce aux méthodes de séquençage en constante amélioration, le nombre de projets de métagénome augmente, donnant aux scientifiques une myriade de nouveaux gènes à explorer.
Les microbes vivant dans l'intestin des termites (illustrés ci-dessus) permettent à l'insecte de digérer le bois. Les scientifiques espèrent coopter les gènes microbiens responsables de ce processus afin de produire plus efficacement des biocarburants à partir d'arbres et d'herbes.
Cela ouvre une nouvelle façon de regarder ces organismes, dit Jim Bristow , directeur du programme de séquençage communautaire au Joint Genome Institute du Department of Energy, à Walnut Creek, en Californie. Nous découvrirons probablement de nombreux processus fondamentaux dont nous ne savions rien auparavant.
Les micro-organismes constituent une partie extrêmement importante et souvent négligée de l'environnement. Ils constituent l'essentiel de notre biosphère et sous-tendent tous les cycles des nutriments sur notre planète, selon Philippe Hugenholtz , chef de la programme d'écologie microbienne au Joint Genome Institute. Mais notre compréhension de ces systèmes est encore rudimentaire. Les microbiologistes aimeraient mieux comprendre ces communautés, afin de pouvoir coopter des gènes ou des organismes utiles, tels que ceux qui éliminent les polluants du sol, ou mieux contrôler les communautés microbiennes, telles que celles qui vivent dans notre bouche ou nos intestins.
La façon standard d'identifier et d'étudier les micro-organismes vivant dans une communauté particulière est de les cultiver dans un laboratoire, mais cela n'est possible qu'avec environ 1% de microbes. Cependant, au cours des deux dernières années, des méthodes de séquençage des gènes plus rapides et moins chères ont offert aux microbiologistes un nouvel outil avec lequel étudier les 99 % restants. Les scientifiques peuvent extraire l'ADN d'une goutte d'eau de mer ou d'un échantillon de boue d'une station d'épuration, par exemple, puis séquencer cet ADN pour obtenir des indices génomiques sur tous les organismes vivant dans cet environnement.
L'assemblage des fragments aléatoires d'ADN générés lors du séquençage peut être un défi, voire impossible dans certains cas. Hugenholtz compare le processus à essayer de rassembler mille puzzles à partir d'une seule boîte qui ne contient que quelques pièces de chaque puzzle. Ainsi, plutôt que d'assembler entièrement ces puzzles génomiques, les scientifiques essaient de comprendre les pièces individuelles, ou les gènes. L'identification des gènes qui permettent aux microbes de l'intestin des termites de digérer le bois, par exemple, pourrait conduire à de meilleurs biocarburants. La conversion de la cellulose des arbres et des herbes en sucres simples pouvant être fermentés en éthanol est un processus très énergivore. Si nous disposions d'une meilleure machinerie enzymatique pour le faire, nous serions peut-être mieux en mesure de transformer des sucres en éthanol, dit Bristow. Les termites sont les meilleurs bioconvertisseurs au monde.
Des chercheurs du Joint Genome Institute, qui a séquencé une partie du génome humain et se consacre désormais largement à la métagénomique, viennent de terminer le séquençage de la communauté microbienne vivant dans l'intestin des termites. Ils ont déjà identifié un certain nombre de nouvelles cellulases – les enzymes qui décomposent la cellulose en sucre – et examinent maintenant les entrailles d'autres insectes qui digèrent le bois, comme une population anaérobie qui mange des copeaux de peuplier. Le résultat final sera essentiellement une liste de pièces géante que les biologistes synthétiques peuvent dresser pour créer un organisme producteur d'énergie idéal, explique Hugenholtz.
Plusieurs autres projets, des carcasses de baleines aux boues d'épuration, sont en cours ou déjà terminés, promettant un énorme volume de nouvelles données génétiques. Un récent projet de l'Université de Californie à Berkeley, par exemple, a identifié trois nouveaux organismes vivant dans l'environnement très acide des mines abandonnées. (Les bactéries recouvrant les sols de ces mines convertissent le fer en acide, qui peut ensuite polluer les cours d'eau à proximité.) Ils sont proches de la taille des virus et peuvent être les plus petits organismes jamais découverts, explique Brett Baker, chercheur à l'UC Berkeley, qui travaillé sur le projet avec Jill Banfield , également à l'UC Berkeley. Ces organismes peuvent donner des indices sur d'autres formes de vie adaptées à des environnements extrêmes, comme Mars.
Le prochain obstacle en métagénomique sera d'essayer de trouver la fonction de nombreux gènes nouvellement identifiés : contrairement aux cellulases chez les termites, la plupart des gènes ont peu de similitude structurelle avec les gènes d'organismes bien étudiés, ce qui rend difficile d'en déduire leur fonction. Dans un échantillon d'eau de la mer des Sargasses collecté par le pionnier de la génomique Craig Venter, les deux familles de gènes les plus courantes et probablement les plus importantes sont totalement uniques : les scientifiques n'ont aucune idée de ce qu'ils font. À certains égards, il est grossier de se concentrer sur d'énormes montagnes dans le paysage génomique, explique Hugenholtz. Mais il attire immédiatement l'attention sur des pistes intéressantes à explorer. Des études structurales sont actuellement en cours pour tenter de comprendre la fonction de ces protéines.
Des projets de métagénomique pourraient éventuellement faire la lumière sur ces gènes inconnus. Nous pouvons examiner les représentations de gènes de fonction inconnue dans des environnements similaires, les comparer à des environnements dépourvus d'une fonction particulière, puis trianguler, explique Bristow. Et les signatures métagénomiques pourraient un jour être utilisées comme empreinte digitale pour identifier certains environnements, ajoute-t-il. Ils pourraient être utilisés comme un moyen d'identifier les endroits où vous pourriez vouloir forer du pétrole ou rechercher des minéraux ou une contamination quelconque, dit-il. Le simple fait de voir les gènes pourrait vous dire ce qui se passe là-bas.