Comment les cyanobactéries multicellulaires transportent des molécules

Les cyanobactéries, également connues sous le nom d'algues bleues, sont une classe particulière de bactéries capables de réaliser la photosynthèse. Elles sont très anciennes dans l'histoire de l'évolution. Des précurseurs sont apparus sur Terre il y a 2,5 milliards d'années et ont ouvert la voie à une vie plus avancée grâce à leur capacité de photosynthèse productrice d'oxygène.

Certaines espèces de cyanobactéries sont des organismes pluricellulaires filamenteux au sein desquels règne une certaine division du travail. Ainsi, certaines cellules pratiquent la photosynthèse, d'autres absorbent l'azote atmosphérique. Grâce à la photosynthèse, les cyanobactéries obtiennent de l'énergie sous forme de glucose, tandis qu'elles utilisent l'azote pour produire des acides aminés, les éléments constitutifs des protéines.

Les cyanobactéries sont confrontées au problème de la communication entre les différentes cellules et de l'échange de substances. Les cellules photosynthétiques doivent en effet fournir du glucose à leurs cellules sœurs qui fixent l'azote, et dans le sens inverse, les acides aminés doivent être transportés. Pour ce faire, les cyanobactéries ont développé des liaisons cellulaires spéciales. Celles-ci permettent l'échange de nutriments et de messagers par-delà les frontières cellulaires, sans que les cellules ne soient soudées entre elles.

Structure élucidée dans un contexte cellulaire

Jusqu'à présent, on ne savait que peu de choses sur la structure détaillée et le fonctionnement exact des connexions cellulaires chez les cyanobactéries filamenteuses multicellulaires. Un groupe de chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Université de Tübingen présente désormais dans le nouveau numéro de la revue spécialisée "Cell" les subtilités structurelles et le fonctionnement des liaisons cellules-cellules, appelées liaisons septales, chez le genre Anabaena avec une résolution inégalée jusqu'à présent.

Les chercheurs montrent ainsi que les canaux de liaison sont constitués d'un tube de protéines qui peut être fermé à chaque extrémité par un bouchon. De plus, ce tube est recouvert d'éléments protéiques à cinq bras, disposés à la manière d'un diaphragme de caméra.

Les canaux relient les cytoplasmes des deux cellules voisines et traversent ainsi les membranes et les parois cellulaires respectives. Les cellules sont séparées par un espace très fin de quelques nanomètres de large.

"Jusqu'à présent, la microscopie électronique traditionnelle ne permettait pas de clarifier ces détails. Grâce à une extension de la cryo-microscopie électronique, nous avons réussi à obtenir des aperçus d'une précision jusqu'ici inégalée", explique Martin Pilhofer, professeur à l'Institut de biologie moléculaire et de biophysique de l'ETH Zurich.

Le doctorant de Pilhofer, Gregor Weiss, a développé un procédé permettant de préparer les cyanobactéries de telle sorte que les canaux puissent être rendus visibles par cryo-microscopie électronique. Pour ce faire, Weiss a "fraisé" couche par couche la jonction entre deux cellules dans des cyanobactéries congelées, jusqu'à ce que son échantillon soit suffisamment fin. Sans traitement préalable, les cellules sphériques seraient trop épaisses pour une application en cryo-microscopie électronique.

"En raison de la structure complexe des canaux de liaison, nous avons supposé l'existence d'un mécanisme d'ouverture et de fermeture de ces canaux", explique Karl Forchhammer, professeur de microbiologie à l'université de Tübingen. Avec son équipe, il a effectivement pu démontrer comment les cellules de l'association communiquent entre elles dans différentes conditions de stress. Pour ce faire, ils ont coloré des chaînes de cyanobactéries avec un colorant fluorescent, puis ont blanchi certaines cellules de manière ciblée à l'aide d'un laser. Les chercheuses ont ensuite mesuré l'afflux de colorant provenant des cellules voisines.

A l'aide de cette méthode, les chercheurs ont pu montrer que les canaux se ferment effectivement lorsqu'ils sont traités avec des produits chimiques ou dans l'obscurité. La structure filigrane du capuchon d'un canal se ferme alors comme un iris et interrompt l'échange de substances entre les cellules, ce que les scientifiques ont reconnu à la fluorescence d'intensité variable.

Un mécanisme de fermeture protège l'association de cellules

"Un tel mécanisme de fermeture protège l'ensemble du groupe de cellules", explique Forchhammer. Ainsi, une cellule peut par exemple éviter de transmettre des substances nocives à ses voisines, ce qui pourrait entraîner la mort de l'organisme entier. Grâce aux canaux, les cyanobactéries peuvent également éviter que le contenu de l'ensemble du groupe ne s'échappe en cas de dommage mécanique de certaines cellules.

Grâce à leur étude, les chercheurs peuvent démontrer que les connexions cellulaires dans les organismes multicellulaires non apparentés ont été "inventées" plusieurs fois au cours de l'évolution et se sont développées en parallèle. "Cela souligne l'importance de la capacité d'un organisme multicellulaire à contrôler le transport de marchandises entre les différentes cellules", explique Pilhofer. En clarifiant la structure et la fonction des canaux chez les cyanobactéries, les chercheurs de l'ETH ajoutent une nouvelle pièce au puzzle global. "Pour nous, ce travail est de la recherche fondamentale biologique sans se focaliser sur une éventuelle application. Les nouvelles données nous permettent plutôt d'entrevoir l'évolution d'êtres vivants complexes", explique le professeur de l'ETH.