Une étude révèle comment les bactéries construisent des machines essentielles de fixation du carbone

Des scientifiques de l’Université de Liverpool ont révélé de nouvelles perspectives sur la façon dont les cyanobactéries construisent les organites qui sont essentiels à leur capacité de photosynthèse. La recherche, réalisée en collaboration avec l’Université des sciences et technologies de Chine, a été publiée dans PNAS.

Les cyanobactéries sont un ancien groupe de microbes photosynthétiques qui se trouvent dans l’océan et la plupart des eaux intérieures. Ils ont développé une protéine organelle, appelée carboxysome, pour convertir le dioxyde de carbone environnemental en sucre de manière efficace.

Une étape clé de cette conversion est catalysée par une enzyme fixatrice de carbone Rubisco. Cependant, Rubisco est mal «conçu» car il est inefficace pour fixer le CO₂ lorsqu’un niveau élevé d’O₂ est d’environ. Les carboxysomes cyanobactériens séquestrent et concentrent les enzymes Rubisco dans le compartiment séparé et fournissent un faible O₂ environnement pour Rubisco pour améliorer la fixation du carbone.

« C’est un mystère comment les cellules cyanobactériennes génèrent la structure complexe du carboxysome et emballent les enzymes Rubisco dans l’organite pour avoir des fonctions biologiques », a déclaré Luning Liu, professeur à l’Université de Liverpool, et auteur principal de cet article. « Mon groupe de recherche a intérêt à aborder les questions clés de ce processus biologique. »

La formation du complexe Rubisco implique quelques protéines «d’aide» appelées chaperons, y compris une protéine appelée facteur d’assemblage Rubisco 1 (Raf1). Pour comprendre les rôles exacts de Raf1, l’équipe a utilisé des microscopies de pointe, telles que la microscopie à fluorescence confocale, la microscopie électronique et la microscopie cryoélectronique, combinées à la biologie moléculaire et aux techniques biochimiques, pour étudier comment Raf1 interagit avec Rubisco sous-unités pour favoriser l’assemblage de Rubisco, et comment la formation de carboxysomes est affectée lorsque les cellules ne produisent pas Raf1.

Les chercheurs ont prouvé que Raf1 est vital pour la construction du complexe Rubisco. Sans Raf1, les complexes Rubisco sont moins efficacement assemblés et ne peuvent pas être densément emballés à l’intérieur des carboxysomes. Cela pourrait grandement affecter la construction des carboxysomes et donc la croissance des cellules cyanobactériennes.

« C’est la première fois que nous déterminons la fonction des chaperons d’assemblage Rubisco dans la biosynthèse des carboxysomes dans les cellules cyanobactériennes », a déclaré le Dr Fang Huang, boursier en début de carrière chez Leverhulme Trust, et premier auteur de cet article. «Nous sommes très enthousiasmés par cette découverte. Elle nous a également permis de proposer un nouveau modèle de travail de biogenèse des carboxysomes, qui nous apprend en détail comment les complexes Rubisco sont générés, comment Raf1 entraîne le garnissage Rubisco et comment la structure entière du carboxysome est construite.

Actuellement, il existe un intérêt considérable pour le transfert des carboxysomes dans les plantes cultivées afin d’améliorer les rendements des cultures et la production alimentaire. Cette étude peut fournir des informations importantes nécessaires à la production de machines de fixation du carbone intactes et fonctionnelles.