Une nouvelle technologie résout le mystère de la respiration chez Tetrahymena

Tetrahymena, un minuscule organisme unicellulaire, s’avère cacher un secret surprenant : il fait la respiration – en utilisant l’oxygène pour générer de l’énergie cellulaire – différemment des autres organismes tels que les plantes, les animaux ou les levures. La découverte, publiée le 31 mars dans La sciencemet en évidence la puissance des nouvelles techniques de biologie structurale et révèle des lacunes dans nos connaissances sur une branche majeure de l’arbre du vivant.

« Nous pensions que nous connaissions la respiration en étudiant d’autres organismes, mais cela nous montre à quel point nous ne savons toujours pas », a déclaré Maria Maldonado, chercheuse postdoctorale au Département de biologie moléculaire et cellulaire de l’Université de Californie, Davis and co. -premier auteur sur le papier.

Tetrahymena est un genre d’organismes unicellulaires vivant en liberté que l’on trouve généralement en train de nager tranquillement autour des étangs en battant leur pelage de minuscules poils ou cils. Comme nous, ce sont des eucaryotes, avec leur matériel génétique dans un noyau. Ils appartiennent à un groupe d’organismes vaste et diversifié appelé le supergroupe SAR. À quelques exceptions près, comme le parasite du paludisme Plasmodium, le supergroupe SAR est peu étudié.

« C’est une énorme proportion de la biosphère, mais nous ne pensons pas beaucoup à eux », 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 arrive à la fin de la série de réactions chimiques impliquées dans la respiration. Les électrons traversent une chaîne de protéines situées dans des structures appelées crêtes dans la membrane interne de la mitochondrie. Cela entraîne la formation d’eau à partir d’atomes d’oxygène et d’hydrogène, pompant des protons à travers la membrane, ce qui entraîne à son tour la formation de l’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 les humains et les autres eucaryotes.

Nouvelles approches en biologie structurale

Il y avait des indices qu’il y a quelque chose de différent dans la chaîne de transport d’électrons de Tetrahymena, a déclaré Letts. Dans les années 1970 et 1980, les scientifiques ont découvert que sa protéine porteuse d’électrons, le cytochrome c– et l’enzyme consommatrice d’oxygène en bout de chaîne – l’oxydase terminale – fonctionnent différemment de celles des plantes et des animaux. Jusqu’à présent, on ne savait pas exactement comment ou pourquoi ces enzymes différaient chez Tetrahymena lorsqu’elles étaient conservées chez d’autres eucaryotes étudiés.

Maldonado, Letts et le co-premier auteur Long Zhou ont utilisé de nouvelles approches en biologie structurale pour découvrir la chaîne de transport d’électrons de Tetrahymena. Celles-ci comprenaient une approche de protéomique structurale par cryo-microscopie électronique – élaborant les structures d’un grand nombre de protéines dans un échantillon mixte en même temps.

La cryomicroscopie électronique gèle 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 enseigné un algorithme pour reconnaître les structures apparentées.

De cette façon, 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 proche de l’atome. 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 nos connaissances sur un organisme assez commun, les travaux montrent nos angles morts par rapport à la biodiversité, a déclaré Letts. Cela montre également le potentiel de ces nouvelles méthodes en biologie structurale en tant qu’outil de découverte, a-t-il déclaré.

Une partie du travail a été menée avec des microscopes cryo-électroniques à l’installation centrale BioEM de l’UC Davis College of Biological Sciences. Les autres auteurs de l’article sont Abhilash Padavannil et Fei Guo, tous deux de l’UC Davis. Zhou est maintenant à l’École de médecine de l’Université du Zhejiang, à Hangzhou, en Chine.