Suivre le carbone pour identifier les bactéries qui dégradent le plastique
Les polyhydroxyalcanoates (PHA) sont des polymères biosourcés et biodégradables dans tous les environnements considérés comme une alternative possible à certains plastiques conventionnels. Leur biodégradation dans les milieux naturels repose notamment sur des microorganismes capables de produire des enzymes, les PHA dépolymérases, qui fragmentent les chaînes du polymère afin de permettre leur assimilation.
Les plastiques immergés dans le milieu marin sont rapidement colonisés par de nombreuses espèces microbiennes formant une « plastisphère ». Distinguer celles qui dégradent réellement le plastique de celles qui ne font que le coloniser constitue donc un véritable défi.
Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé du poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) marqué au carbone 13. Lorsqu'une bactérie dégrade le PHB et utilise le carbone ainsi libéré, le 13C est incorporé jusque dans son ADN. Cette technique, appelée DNA-SIP, permet ainsi d'isoler l'ADN des microorganismes ayant effectivement assimilé le carbone provenant du polymère. Son association à la métagénomique permet ensuite de reconstruire leurs génomes et d'identifier les gènes susceptibles d'être impliqués dans cette dégradation.
Un arsenal enzymatique inattendu
Cette approche a permis d'identifier plusieurs bactéries participant activement à la dégradation du PHB. Trois génomes reconstruits, appartenant au genre Agarilytica, ont particulièrement retenu l'attention des chercheurs.
Ils contiennent respectivement 9, 11 et 14 copies de gènes codant des dépolymérases extracellulaires ePhaZ, alors qu'une à deux copies sont généralement décrites chez les bactéries dégradant les PHA. L'analyse comparative de ces génomes montre que cet arsenal enzymatique s'est notamment constitué par des phénomènes de duplication et de fusion de gènes.
Plus remarquable encore, les protéines fusionnées correspondent à deux dépolymérases complètes au sein d'une même enzyme, une organisation qui n'avait encore jamais été décrite pour cette classe de dépolymérases. La modélisation tridimensionnelle montre que ces protéines conservent la structure des domaines nécessaires à leur activité catalytique et suggère que certaines pourraient présenter différents modes d'interaction avec le polymère.
Une adaptation à la dégradation des polymères en milieu marin
Cette multiplication et cette diversification des dépolymérases pourraient procurer aux bactéries un avantage pour exploiter le PHB dans des conditions environnementales variables, en augmentant leur efficacité ou leur flexibilité métabolique.
L'étude met surtout en évidence l'intérêt de combiner DNA-SIP et métagénomique pour relier directement une fonction biologique à l'identité et au génome des microorganismes qui l'assurent, au sein de communautés environnementales complexes.
Au-delà de leur intérêt pour comprendre la biodégradation des polymères dans les océans, les nouvelles dépolymérases identifiées pourraient également constituer des enzymes d'intérêt pour développer des procédés de biodégradation ou de recyclage biologique des PHA. Ces perspectives restent néanmoins à confirmer expérimentalement, l'étude portant spécifiquement sur le PHB et certaines des enzymes identifiées n'ayant pas encore pu être caractérisées biochimiquement.
Contact : Valérie Barbe