Des chercheurs ont identifié des protéines fongiques capables de catalyser efficacement la formation de glace. Ce processus, dit « nucléation de la glace », pourrait permettre d’ensemencer les nuages afin de provoquer des pluies artificielles de manière potentiellement plus efficace et moins toxique que les techniques traditionnelles. La découverte pourrait également permettre le développement de nouvelles techniques de conservation alimentaire et tissulaire.
La congélation, ou cristallisation de l’eau, constitue la transition de phase la plus répandue dans la nature. Cette fréquence fait qu’elle influence de nombreuses interactions écologiques, des processus atmosphériques ainsi que la dynamique climatique terrestre. De manière générale, les températures en dessous de 0 °C favorisent la formation de glace, mais la vitesse de cristallisation dépend étroitement des conditions de nucléation, c’est-à-dire de la formation du noyau de glace initial.
Dans la nature, la congélation de l’eau est facilitée par des agents de nucléation biologiques et abiotiques. Les nucléateurs biologiques sont produits par de nombreux organismes. Ceux produits par les bactéries et les champignons sont les plus efficaces, permettant notamment une congélation dès −2 °C. Cette efficacité fait qu’ils peuvent influencer les dégâts du gel sur les cultures, ainsi que la formation des nuages et des précipitations.
Les agents abiotiques, en revanche, ne gèlent l’eau qu’à des températures plus basses. L’iodure d’argent, l’agent d’ensemencement des nuages couramment utilisé pour la production de pluies artificielles, n’induit la formation de glace qu’à environ −5 °C dans certaines conditions. L’utilisation de ce type de composé est également limitée en raison de sa toxicité.
Cependant, malgré la grande diversité d’agents biologiques pouvant nucléer efficacement la glace au-dessus de −10 °C, seuls ceux d’origine bactérienne ont été bien séquencés et caractérisés. Des chercheurs de l’Institut polytechnique et de l’Université d’État de Virginie (Virginia Tech), ainsi que de l’Université d’État de Boise, aux États-Unis, ont identifié des protéines chez des champignons de la famille des Mortierellaceae qui nucléent la glace avec une grande efficacité.
« Si nous apprenons à produire à moindre coût une quantité suffisante de cette protéine fongique, nous pourrions l’injecter dans les nuages et rendre l’ensemencement des nuages beaucoup plus sûr », indique dans un communiqué de Virginia Tech , Boris A. Vinatzer, professeur à l’École des sciences végétales et environnementales au sein de l’institut et coauteur de l’étude.
Des protéines fongiques d’origine bactérienne
Les protéines fongiques identifiées par les chercheurs chez les Mortierellaceae, des champignons abondamment présents dans le sol, sont indépendantes de la membrane, c’est-à-dire qu’elles ne sont pas incrustées de manière permanente à l’intérieur de celle-ci, contrairement aux protéines transmembranaires. Cette absence d’ancrage membranaire signifie qu’elles pourraient être plus faciles à extraire que les protéines d’origine bactérienne.
L’analyse des protéines a également montré que le gène qui les code a probablement été acquis il y a des centaines de milliers, voire des millions d’années, par les ancêtres des Mortierellaceae à partir d’une espèce bactérienne, selon un processus appelé transfert horizontal de gènes.
« On sait que les champignons peuvent acquérir des gènes de bactéries, mais ce n’est pas un phénomène courant. Je ne m’attendais donc pas à ce que ce gène fongique ait une origine bactérienne », indique Vinatzer. Si l’on ignore pour le moment les avantages évolutifs de l’acquisition de ce gène par les champignons, les analyses indiqueraient clairement qu’il a été modifié au fil du temps pour être amélioré.
Plus avantageuses que les protéines bactériennes
D’après les chercheurs, les protéines de nucléation fongiques pourraient être plus avantageuses pour certaines applications que celles d’origine bactérienne. Elles se distinguent notamment par leur structure acellulaire et leur hydrosolubilité.
Par exemple, pour une utilisation dans la conservation des aliments, les protéines fongiques seraient plus sûres car elles seraient utilisées de manière isolée, contrairement aux protéines bactériennes qui doivent être utilisées avec les bactéries elles-mêmes.
« C’est un avantage considérable en production alimentaire, car on dispose d’une seule protéine bien définie et on peut éliminer tout le reste. Il est possible de développer un additif sûr et efficace qui facilite la préparation des aliments surgelés », explique Vinatzer.
Les protéines fongiques pourraient aussi se révéler plus avantageuses pour la cryoconservation biologique, par exemple de spermatozoïdes, d’ovules et d’embryons. Relativement petites, ces molécules permettraient à l’eau à l’extérieur des cellules de geler plus vite, ce qui pourrait limiter les dommages aux membranes cellulaires. Selon Vinatzer, « on ne pourrait pas faire cela avec des bactéries, car il faudrait ajouter des cellules bactériennes entières ».
Ces composés pourraient en outre avoir des implications potentielles pour le développement de modèles climatiques et atmosphériques, d’après l’équipe. Les résultats de l’étude sont publiés le 11 mars dans la revue Science Advances.