Un secret surprenant révélé par une nouvelle technologie : La respiration de Tetrahymena est différente de celle d’autres organismes.

Tetrahymena, un minuscule organisme unicellulaire, cache un secret surprenant : il pratique la respiration – l’utilisation de l’oxygène pour générer de l’énergie cellulaire – différemment des autres organismes tels que les plantes, les animaux ou les levures. La découverte, publiée aujourd’hui (31 mars 2022) dans le journal Sciencemet en évidence la puissance des nouvelles techniques de biologie structurelle et révèle les lacunes de nos connaissances sur une branche majeure de l’arbre de la vie.

“Nous pensions connaître la respiration grâce à l’étude d’autres organismes, mais cela nous montre à quel point nous ne savons pas encore tout”, a déclaré Maria Maldonado, chercheuse postdoctorale au département de biologie moléculaire et cellulaire de l’université de Californie à Davis et co-auteur principal de l’article.

Tetrahymena est un genre d’organismes unicellulaires libres que l’on trouve habituellement nageant tranquillement autour des étangs en battant leur manteau de minuscules poils, ou cils. Comme nous, ce sont des eucaryotes, dont le matériel génétique se trouve dans un noyau. Ils appartiennent à un groupe d’organismes vaste et diversifié appelé le supergroupe SAR. À quelques exceptions près, comme le parasite de la malaria Plasmodium, le supergroupe SAR est peu étudié.

“C’est une proportion énorme de la biosphère, mais nous n’y pensons pas beaucoup”, a déclaré Maldonado.

Comme tous les autres eucaryotes – et certaines bactéries – Tetrahymena consomme de l’oxygène pour générer de l’énergie par la respiration, a déclaré James Letts, professeur adjoint de biologie moléculaire et cellulaire à l’UC Davis College of Biological Sciences.

L’oxygène intervient à la fin de la série de réactions chimiques impliquées dans la respiration. Les électrons passent par une chaîne de protéines situées dans des structures appelées cristaux dans la membrane interne de la mitochondrie. Cela entraîne la formation d’eau à partir d’atomes d’oxygène et d’hydrogène, en pompant des protons à travers la membrane, ce qui entraîne à son tour la formation d’ATP, une réserve d’énergie chimique pour la cellule. Cette chaîne de transport d’électrons est fondamentale pour la respiration à base d’oxygène chez l’homme et les autres eucaryotes.

Nouvelles approches en biologie structurelle

Selon M. Letts, certains indices laissent penser que la chaîne de transport d’électrons de Tetrahymena est différente. Dans les années 1970 et 1980, les scientifiques ont découvert que sa protéine de transport d’électrons, le cytochrome, n’était pas une protéine de transport d’électrons. c – et l’enzyme consommant l’oxygène à la fin de la chaîne – l’oxydase terminale – fonctionnent différemment de celles des plantes et des animaux. Jusqu’à présent, on ne savait pas exactement comment ni pourquoi ces enzymes différaient chez Tetrahymena alors qu’elles étaient conservées chez d’autres eucaryotes étudiés.

Maldonado, Letts et le coauteur Long Zhou ont utilisé de nouvelles approches en biologie structurelle pour découvrir la chaîne de transport d’électrons de Tetrahymena. Il s’agit notamment d’une approche protéomique structurelle par cryo-microscopie électronique, qui permet de déterminer simultanément la structure d’un grand nombre de protéines dans un échantillon mixte.

La microscopie cryo-électronique congèle les échantillons à des températures extrêmement basses, créant des images à une résolution presque atomique. Au lieu d’imager une seule protéine purifiée, l’équipe a travaillé avec des échantillons mixtes isolés de membranes mitochondriales, puis a appris à un algorithme à reconnaître les structures apparentées.

De cette manière, ils ont pu parcourir des centaines de milliers d’images de protéines et identifier les structures de 277 protéines dans trois grands assemblages, représentant la chaîne de transport d’électrons de Tetrahymena à une résolution quasi atomique. Certaines de ces protéines n’ont pas de gène correspondant dans la base de données connue du génome de Tetrahymena – ce qui montre qu’il doit y avoir des lacunes dans le génome de référence disponible.

En révélant les lacunes dans notre connaissance d’un organisme assez commun, les travaux montrent nos angles morts en matière de biodiversité, a déclaré M. Letts. Elle montre également le potentiel de ces nouvelles méthodes de biologie structurelle en tant qu’outil de découverte, a-t-il ajouté.

Référence : “Les structures de la chaîne respiratoire de Tetrahymena révèlent la diversité du métabolisme central eucaryote” 31 mars 2022, Science.
DOI : 10.1126/science.abn7747

Une partie des travaux a été réalisée à l’aide de microscopes cryo-électroniques au centre BioEM de l’UC Davis College of Biological Sciences. Les autres auteurs de l’article sont Abhilash Padavannil et Fei Guo, tous deux à UC Davis. Zhou est actuellement à la faculté de médecine de l’université de Zhejiang, à Hangzhou, en Chine. Ce travail a été soutenu par le NIH.