Découverte d’une bactérie mangeuse de métaux dont l’existence a été prédite il y a plus d’un siècle

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| Hang Yu/Caltech

Une bactérie mangeuse de métaux — plus précisément un composé de carbonate de manganèse (MnCO3), a été découverte accidentellement en laboratoire par des microbiologistes de Caltech. En effet, c’est lorsque le microbiologiste Jared Leadbeater est retourné dans son bureau pour la première fois depuis des mois, après un voyage de travail, qu’il a trouvé cet étrange composé recouvrant la verrerie qu’il avait laissée tremper dans son évier (et qui était devenue noire). C’est à ce moment-là qu’il a réalisé que quelque chose avait volé une partie de ses électrons…

La substance sombre était une forme d’oxyde de manganèse – un produit qui se forme lorsque les ions manganèse perdent des électrons et subissent une réaction appelée oxydation. « Je me disais ‘qu’est ce que c’est ?’ », a déclaré Leadbeater, chercheur au California Institute of Technology (Caltech). Mais quelque chose devait déclencher la réaction : un voleur d’électrons. « J’ai commencé à me demander si des microbes recherchés depuis longtemps pouvaient être les responsables. Nous avons donc systématiquement effectué des tests pour comprendre cela », a expliqué Leadbeater.

Dans le but de vérifier si cela se produisait vraiment en raison d’un processus biologique, Leadbeater et son équipe ont recouvert d’autres pots de MnCO3 et en ont stérilisé certains à l’aide de vapeur brûlante (le MnCO3 est connu pour être stable dans ces conditions). Sur ces surfaces, le composé de manganèse n’a pas noirci (même un an plus tard), mais les flacons qui n’avaient pas été stérilisés sont devenus noirs. Par conséquent, les chercheurs ont pu comprendre que le « voleur d’électrons » devait être quelque chose qui pouvait être détruit par la vapeur chaude.

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Ainsi, les chercheurs ont cultivé ce qui se trouvait sur les pots. Puis, l’analyse de l’ARN a révélé 70 espèces de bactéries, mais grâce à d’autres tests, l’équipe a réussi à en exclure certaines, jusqu’à ce qu’il ne reste que deux coupables possibles.

Il s’agissait des bactéries de genre Nitrospira, qui sont généralement en forme de croissant, et des Bataproteobacteria, en forme de bâtonnet. Les scientifiques savent que les parents de ces deux espèces de bactéries vivent dans les eaux souterraines. « Nous avons isolé les betaproteobacteria d’oxydes perturbés en tant que colonies uniques… mais cette espèce n’oxyde pas le MnCO3 seul. Soit les Nitrospirae sont les seuls responsables de l’oxydation du Mn (II), soit l’activité est consortiale », a expliqué l’équipe de recherche dans son nouvel article.

Nodules d’oxyde de manganèse générés par les bactéries découvertes par l’équipe de Caltech. Les nodules ont généralement un diamètre d’environ 0,1 à 0,5 millimètre. Ces images sont des micrographies électroniques à balayage avec une fausse colorisation. Crédits : Hang Yu/Caltech

Selon les chercheurs, il se pourrait que le vol d’électrons ait peut-être été un effort d’équipe. Mais quel était le motif ? Les chercheurs ont leurs idées. Ces derniers ont utilisé du manganèse marqué au carbone 13 dans certaines de leurs cultures et, bien sûr, les bactéries ont incorporé ces isotopes de carbone dans leur corps. Cela a permis aux chercheurs de confirmer que les bactéries suspectes étaient autotrophes – qu’elles sont capables de produire leur propre nourriture en utilisant une source d’énergie. Ces bactéries utilisaient l’énergie des électrons du manganèse pour transformer le CO2 en carbone utilisable, comme les plantes utilisent la lumière du soleil pour transformer le CO2 et l’eau en sucres et en oxygène avec la photosynthèse.

Ce processus est appelé chimiosynthèse, et bien que le fait qu’il se produise avec d’autres métaux est connu des scientifiques, il s’agit de la toute première fois que nous observons ce processus dans des cellules qui utilisent le manganèse de cette manière. « Ce sont les premières bactéries connues qui utilisent du manganèse comme carburant », a expliqué Leadbetter, bien que des chercheurs ont déjà prédit l’existence de ces microbes, il y a plus d’un siècle.

Il faut savoir que le manganèse est également un nutriment essentiel pour nous, les humains. En effet, notre corps l’utilise pour des mécanismes comme le traitement des graisses et des protéines et la formation osseuse, et nous l’obtenons à partir d’aliments tels que les noix, les thés et les légumes-feuilles.

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Bien que ce soit l’un des éléments les plus courants à la surface de notre planète, beaucoup d’éléments concernant le manganèse (et son cycle sur Terre) restent un mystère – y compris son étrange tendance à obstruer les conduites d’eau. « Il existe toute une série de publications sur l’ingénierie de l’environnement des systèmes de distribution d’eau potable obstrués par les oxydes de manganèse », a déclaré Leadbetter. « Mais comment et pour quelle raison un tel matériau est généré là est resté une énigme. De toute évidence, de nombreux scientifiques ont considéré que les bactéries utilisant le manganèse pour l’énergie pourraient en être responsables, mais les preuves à l’appui de cette idée n’étaient pas disponibles jusqu’à présent », a-t-il ajouté.

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L’oxyde de manganèse apparaît également mystérieusement sous forme de nodules sur une grande partie du fond marin, et le manganèse est impliqué dans de nombreux cycles interconnectés d’éléments, notamment le carbone, l’azote, le fer et l’oxygène. Ainsi, l’existence de voleurs d’électrons de manganèse, comme ces bactéries récemment découvertes, pourrait expliquer beaucoup de choses.

Selon les chercheurs, les temps de doublement des cellules et les taux d’oxydation des bactéries créeraient des oxydes de manganèse en quantités équivalentes aux réserves mondiales en seulement deux ans. Par ailleurs, des parents proches de ces espèces semblent être présents dans de nombreux endroits, de sorte que leur potentiel à faire circuler ce métal à travers la Terre pourrait être très vaste. « Cette découverte comble une lacune intellectuelle majeure dans notre compréhension des cycles élémentaires de la Terre, et s’ajoute aux diverses façons dont le manganèse, un métal de transition abstrus, mais commun, a façonné l’évolution de la vie sur notre planète », a déclaré le géobiologiste Caltech Woodward Fischer, qui n’a pas participé à l’étude.

Source : Nature

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