Comment une bactérie fertilisant les océans forme des associations

Le microbe marin Trichodesmiuma attiré très tôt l'attention des hommes. Le capitaine britannique James Cook a été l'un des premiers à documenter ses observations en mer Rouge en 1770. Il n'avait pas besoin de microscope pour cela - le micro-organisme se multiplie parfois fortement et forme à la surface de la mer des fleurs jaune-brun à rougeâtres qui s'étendent sur des milliers de kilomètres carrés et sont visibles même depuis l'espace. On dit que la mer Rouge doit son nom à ce phénomène.

Ce que Cook ne savait pas il y a 250 ans : ce ne sont pas des algues qui sont responsables de la floraison abondante, mais des cyanobactéries du genre Trichodesmium,Les algues marines sont des organismes vivants qui sont également appelés "sciure de mer" (en anglais : sea sawdust). Elles sont présentes en grand nombre dans les mers tropicales et subtropicales et jouent un rôle écologique élémentaire en fertilisant ces eaux pauvres en nutriments et en fournissant ainsi de la nourriture à d'autres organismes vivants.

Il en résulte une propriété particulière qui fascine les chercheurs du monde entier : Trichodesmiumvivent sous forme d'individus filamenteux et multicellulaires appelés filaments. Mais on les trouve aussi en associations dynamiques, dans lesquelles des centaines de filaments interagissent entre eux.

Dans une étude publiée dans la revue page externeScience une équipe de chercheurs dirigée par le professeur de l'ETH Roman Stocker décrit maintenant pour la première fois comment les filaments se forment. Trichodesmium-Les filaments d'argent peuvent s'assembler en de tels agrégats grâce à un comportement aussi simple qu'efficace.

Un multitalent microbien nourrit la vie marine

"La capacité à former des agrégats est probablement la clé pour que Trichodesmiumest si fréquent et si fructueux", explique Ulrike Pfreundt, ancienne post-doctorante chez Stocker, dont le laboratoire de l'Institut des sciences et ingénierie de l'environnement est spécialisé dans l'étude des micro-organismes marins.

Son collègue Jonasz Slomka, Senior Scientist dans le groupe de Stocker, ajoute : "Malgré leur importance écologique, on ne savait pas jusqu'à présent comment ces agrégats se forment". Pfreundt et Slomka ont contribué de manière équivalente à l'étude et se partagent la responsabilité de premier auteur.

Les cyanobactéries sont des bactéries capables de photosynthèse et comptent parmi les formes de vie les plus anciennes de la planète. Elles construisent la biomasse et constituent le début du réseau alimentaire dans les océans. Peu d'espèces d'entre elles, dont celles du genre Trichodesmium,Ils possèdent en outre la capacité de détecter l'azote élémentaire dissous dans l'eau (N₂) en ammonium biologiquement utilisable (NH₄) - un nutriment essentiel dont d'autres organismes ont besoin pour leur croissance.

"Indem TrichodesmiumEn rendant l'azote disponible, elle favorise la vie dans les mers tropicales et subtropicales", souligne M. Slomka en soulignant l'importance des bactéries.

Les agrégats s'adaptent à leur environnement

Pour résoudre l'énigme des Trichodesmium-Les chercheurs ont cultivé la cyanobactérie dans leur laboratoire de l'ETH Zurich. Contrairement aux filaments individuels, qui sont dix fois plus fins qu'un cheveu humain, les agrégats atteignent un diamètre de un à deux millimètres et sont visibles à l'œil nu. Leurs formes caractéristiques - qui rappellent les "pompons" et les "mèches de cheveux" - ne se révèlent toutefois qu'au microscope.

Pfreundt, qui travaille depuis sa thèse de doctorat sur les TrichodesmiumEn travaillant sur les bactéries, les chercheurs ont remarqué que les agrégats changeaient d'apparence au cours de la journée, "ce qui indique un processus actif", raconte la biologiste marine, qui a obtenu une bourse postdoctorale de l'ETH Zurich pour approfondir la question. Par la suite, Pfreundt et Slomka ont étudié si et comment les associations réagissaient aux influences environnementales telles que les changements de luminosité.

La réaction a été rapide et nette : En l'espace de quelques minutes après le stimulus environnemental, les agrégats ont commencé à changer de forme. Ils se sont contractés à la lumière et se sont détendus dans l'obscurité. Les réactions étaient réversibles - les agrégats revenaient à peu près à leur structure précédente après un stimulus lumineux.

Pfreundt suppose que les micro-organismes de l'océan libre réagissent de la même manière aux variations de la lumière solaire. "Une lumière solaire intense peut endommager les cellules - c'est pourquoi les agrégats se compriment pour réduire la quantité de lumière".

Un comportement simple contrôle la structure des agrégats

Prêter des agrégats TrichodesmiumLes agrégats ont des capacités qui manquent aux filaments individuels et qui sont particulièrement avantageuses pour la recherche de nutriments. Des études ont montré que les agrégats peuvent capturer des poussières ferreuses afin de couvrir leurs besoins accrus en fer pour la fixation de l'azote. De plus, les agrégats peuvent descendre et remonter à la surface beaucoup plus rapidement que les filaments afin de récupérer le phosphate et d'autres nutriments en profondeur.

"Nous partons du principe que les agrégats dans l'océan changent constamment de forme pour contrôler leur flottabilité, leur absorption de lumière ou le micro-environnement à l'intérieur de l'agrégat", explique Pfreundt, "toutes ces transformations étant élégamment médiatisées par un simple comportement décentralisé des filaments".

L'équipe a constaté que les filaments individuels pouvaient glisser les uns sur les autres en se déplaçant dans des directions opposées, un peu comme deux trains qui se croisent. Lorsque les filaments continuent de glisser, ils perdent à nouveau leur chevauchement et se séparent.

Grâce à la vidéomicroscopie et à des modèles mathématiques, les chercheurs ont démontré que les filaments individuels d'un agrégat glissent constamment les uns sur les autres et changent de direction lorsque leur chevauchement diminue - un comportement actif qui leur permet de rester ensemble et de se déplacer. "Si les filaments se retournent plus tôt, ils se chevauchent davantage et l'agrégat se contracte. S'ils se retournent avec retard, la structure se relâche", explique Slomka.

Comme les chercheurs l'expliquent dans leur étude, de telles "inversions intelligentes" (en anglais : smart reversals) suffisent à former et à transformer des agrégats organisés. Les filaments individuels adaptent simplement leur chevauchement avec les filaments voisins. Ainsi, les filaments contrôlent l'ensemble de l'agrégat par le biais d'inversions intelligentes sans coordination centrale.

"Cela permet Trichodesmiumson riche portefeuille de stratégies d'adaptation et, en fin de compte, son rôle écologique", résume Slomka, qui crée maintenant son propre groupe à l'Institut des sciences et ingénierie de l'environnement grâce à l'un des financements Ambizione très convoités du Fonds national suisse.

Un rôle clé pour le stockage du carbone marin

Mais Trichodesmiumn'est pas seulement intéressant pour son écologie et son comportement. "Il influence aussi de manière déterminante le cycle du carbone dans la mer", note le professeur Stocker de l'ETH.

Trichodesmiumreprésente jusqu'à 60 pour cent de la fixation de l'azote marin et favorise ainsi l'absorption du carbone à partir du CO₂ par la photosynthèse du phytoplancton et des algues. Une partie de cette biomasse coule et est stockée dans les fonds marins, ce qui atténue le changement climatique.

"Comprendre comment les micro-organismes se comportent peut nous aider de manière décisive à évaluer le rôle futur des océans dans un climat en pleine évolution", conclut l'ingénieur environnemental.