Définition: Que sont les bactéries chimiosynthétiques?

Essentiellement, les bactéries chimiosynthétiques comprennent un groupe de bactéries autotrophes qui utilisent l’énergie chimique pour produire leur propre nourriture. Comme les bactéries photosynthétiques, les bactéries chimiosynthétiques ont besoin d’une source de carbone (par exemple du dioxyde de carbone) ainsi que d’une source d’énergie pour fabriquer leur propre nourriture.

Pour la plupart, ces bactéries sont aérobies et dépendent donc de l’oxygène pour mener à bien ce processus. Cependant, certaines espèces (par exemple Sulfuricurvum kujiense) ont été associées à la chimiosynthèse anaérobie.

En raison de leur capacité à fabriquer leur propre nourriture en utilisant l’énergie chimique, ces organismes sont capables de survivent dans une variété d’habitats / environnements (y compris des environnements difficiles avec des conditions extrêmes) en tant qu’organismes vivants libres ou en association avec d’autres organismes (par symbiose avec d’autres organismes).

* Contrairement à la photosynthèse qui est courante chez les organismes eucaryotes et les cyanobactéries, les réactions chimiosynthétiques sont principalement réalisée par des microorganismes procaryotes (en particulier des bactéries et des archées)

Des exemples de bactéries chimiosynthétiques incluent :

• Venenivibrio stagnispumantis
• Beggiatoa
• T. neapolitanus
• T. novellus
• ferrooxidans

Types de Bactéries chimiosynthétiques

Comme mentionné, la chimiosynthèse permet à différents types de bactéries (bactéries chimiosynthétiques) de survivre sans dépendre de l’énergie lumineuse ou d’autres organismes pour se nourrir. Ici, l’énergie utilisée pour fabriquer des matériaux alimentaires est dérivée d’une variété de produits chimiques inorganiques (et donc de différentes réactions chimiques). Pour cette raison, il existe différents types de bactéries chimiosynthétiques en fonction du type de composés qu’elles utilisent comme source d’énergie.

* Certaines bactéries chimiosynthétiques vivent dans des environnements ensoleillés et sont donc exposées au soleil. Cependant, ils ne dépendent pas de la lumière du soleil comme source d’énergie

Bactéries soufrées – Ces bactéries (par exemple Paracoccus) oxydent des composés soufrés tels que les thiosulfates de sulfure d’hydrogène (sulfures) et le soufre inorganique, etc. Selon l’organisme ou le type de composé soufré utilisé, le processus d’oxydation se déroule en plusieurs étapes. Dans certains des organismes, par exemple, le soufre inorganique sera stocké jusqu’à ce qu’il soit nécessaire à son utilisation.

Bactéries azotées – divisées en trois groupes comprenant des bactéries nitrifiantes , bactéries dénitrifiantes et bactéries fixatrices d’azote. Dans le cas des bactéries nitrifiantes, l’ammoniac est d’abord oxydé en hydroxylamine dans le cytoplasme (par la monooxygénase d’ammonium). L’hydroxylamine est ensuite oxydée pour produire du nitrite dans le périplasme par l’hydroxylamine oxydoréductase. Ce processus produit un proton (un proton pour chaque molécule d’ammonium). Par rapport aux bactéries nitrifiantes, les bactéries dénitrifiantes oxydent les composés nitrés comme source d’énergie.

Méthanobactéries / bactéries méthaniques – Bien que certains scientifiques aient suggéré que certaines bactéries utilisent le méthane comme source d’énergie pour la chimiosynthèse, ceci est particulièrement courant parmi les archéobactéries chimiosynthétiques.

Bactéries d’hydrogène – Des bactéries telles que Hydrogenovibrio marinus et Helicobacter pylori oxydent l’hydrogène comme source d’énergie dans des conditions microaérophiles. Pour la plupart, ces bactéries se sont avérées anaérobies et se développent donc dans des zones avec très peu ou pas d’oxygène. Cela est largement dû au fait que l’enzyme utilisée à des fins d’oxydation (hydrogénase) fonctionne efficacement dans des conditions anaérobies.

Bactéries du fer – Acidithiobacillus ferrooxidans et Leptospirillum ferrooxidans font partie des bactéries qui oxydent le fer. Il a été démontré que ce processus se produit sous différents conditionnements en fonction de l’organisme (par exemple, pH bas et oxic-anoxique).

Pendant la chimiosynthèse, les bactéries chimiosynthétiques, n’étant pas photosynthétiques, doivent compter sur l’énergie produite par l’oxydation de ces composés (inorganique) pour fabriquer des aliments (sucres) tandis que les bactéries fixatrices d’azote transforment l’azote gazeux en nitrate. Tous ces processus servent à produire un proton utilisé dans la fixation du dioxyde de carbone.

Normalement, ces réactions se produisent dans le cytoplasme en présence d’enzymes respiratoires liées à la membrane. Par exemple, dans le cas de l’oxydation de l’hydrogène, les hydrogénases NiFe du groupe 1, présentes dans le cytoplasme, catalysent la réaction pour produire 2 électrons et protons (hydrogène avec une charge positive) à partir d’une molécule d’hydrogène (H2 < > 2H + et 2e-). Ces électrons sont ensuite acheminés vers le pool de quinone dans la chaîne de transport d’électrons.

Dans le cas du sulfure d’hydrogène, le composé subit une oxydation pour libérer des électrons et des ions hydrogène (appelés protons étant donné qu’ils sont séparés du composé et des électrons et gagnent une charge positive). Les produits de cette réaction sont donc le soufre, les électrons ainsi que les protons. Les électrons et les protons entrent alors dans la chaîne de transport d’électrons (au niveau de la membrane).

Lorsque les électrons entrent dans cette chaîne, les protons sont pompés hors de la cellule. Les électrons, en revanche, sont acceptés par l’oxygène et attirent les protons (ions hydrogène) formant ainsi des molécules d’eau. Grâce à une enzyme connue sous le nom d’ATP synthase, les protons qui avaient été précédemment pompés hors de la cellule sont renvoyés vers la cellule avec leur énergie (énergie cinétique) stockée sous forme d’ATP et utilisée pour la synthèse du sucre.

Assimilation du carbone dans les bactéries chimiosynthétiques (fixation)

Selon le type de bactérie, leur habitat et la source de carbone, un certain nombre de voies métaboliques sont utilisées pour la fixation.

Certains des chemins les plus courants incluent:

Cycle Calvin-Benson – Dans ce cycle, l’enzyme RuBisCo (ribulose 1, 5-bisphosphate carboxylase / oxygénase ) facilite l’addition de dioxyde de carbone moléculaire au 1, 5-bisphosphate de ribulose. Ce processus génère un composé à six carbones qui est, à son tour, converti en deux molécules de 3-PGA (3-phosphoglycérate). Ce processus est appelé fixation du carbone étant donné qu’il implique la conversion du dioxyde de carbone en molécules organiques.

Grâce à l’énergie stockée dans l’ATP et le NADPH (générée par le processus d’oxydation), le composé de carbone (3-PGA) est à nouveau converti en un autre composé de carbone pour former G3P (Glycéraldéhyde 3-phosphate) en phase de réduction. Comme l’une de ces molécules quitte la chaîne Calvin (pour former la molécule glucidique / sucre), l’autre est impliquée dans la génération de RuBP.

Cycle inversé de Krebs – Par rapport au cycle de Calvin, la fixation du carbone dans les résultats du cycle inverse de Krebs dans la production de pyruvate. Également connu sous le nom de cycle de l’acide tricarboxylique réducteur, ce cycle commence par la fixation de deux molécules de dioxyde de carbone. Il en résulte la production d’acétyl coenzyme A (acétyl-CoA) qui est à son tour carboxylé par réduction pour produire du pyruvate. Le pyruvate produit par le procédé est ensuite utilisé pour la synthèse des matériaux cellulaires organiques.

Certains des autres processus utilisés par ces bactéries incluent:

· 3-Hydroxypropionate Bicycle – Aussi connu sous le nom de cycle 3-hydroxypropionate, cette voie fixe le dioxyde de carbone pour se former Malyl-CoA en présence d’acétyl-CoA et de propionyl-CoA carboxylases. Celui-ci est ensuite divisé pour produire de l’acétyl-CoA et du glyoxylate. Finalement, la voie aboutit à la production de pyruvate qui est utilisé pour synthétiser divers matériaux organiques requis par la cellule.

· Voie réductrice de l’acétyl-CoA – Dans cette voie, deux molécules de dioxyde de carbone sont fixées pour former de l’acétyl-CoA. En règle générale, l’hydrogène agit comme le donneur d’électrons dans cette réaction, le dioxyde de carbone étant l’accepteur d’électrons.

· Cycle du dicarboxylate / 4-hydroxybutyrate – Ce cycle est courant parmi les bactéries trouvées en anaérobie les habitats microaérobies (par exemple des Desulfurococcales). Comme le cycle 3-hydroxypropionate / 4-hydroxybutyrate, ce cycle convertit le cétyl-CoA et deux molécules de carbone en succinyl-coenzyme (CoA).Certaines des enzymes impliquées dans ce cycle comprennent la pyruvate synthase et la phosphoénolpyruvate (PEP) carboxylase.

Importance des bactéries chimiosynthétiques

Essentiellement, la chimiosynthèse fait référence au processus par lequel les bactéries chimiosynthétiques transforment les aliments en utilisant l’énergie chimique. Par conséquent, par rapport à la photosynthèse, ces organismes ne dépendent pas de l’énergie lumineuse pour la production. Cela en fait d’importants producteurs primaires dans divers habitats qui contiennent des oxydants tels que les nitrates et les sulfates.

Dans les écosystèmes d’évent de haute mer, par exemple, l’absence de lumière du soleil signifie que la photosynthèse ne peut pas avoir lieu. Cependant, en raison de la capacité de certaines bactéries à fabriquer des aliments par chimiosynthèse, elles jouent un rôle important en tant que producteurs dans cet écosystème.

Il a également été démontré que ce comportement profite à d’autres organismes grâce à une relation symbiotique. Par exemple, dans divers environnements, il a été démontré que les bactéries fixatrices d’azote forment des relations symbiotiques qui profitent à une variété d’organismes (algues, diatomées, légumineuses, éponges, etc.). Ici, ils sont capables de convertir l’azote (abondant dans la nature) en formes utilisables.

Ici, ces bactéries peuvent catalyser l’azote atmosphérique pour produire de l’ammoniac (en utilisant une enzyme appelée azotease) qui est ensuite utilisée par les plantes pour la synthèse de biomolécules azotées.

L’une des autres relations symbiotiques qui ont fait l’objet d’une attention significative est celle entre les vers tubicoles (Riftia pachyptila) et les bactéries chimiosynthétiques dans les évents hydrothermaux. Dans cet environnement, les températures de l’eau sont extrêmement élevées en raison de la chaleur géothermique. De plus, ces vers vivent au fond de la mer (environnement dépourvu d’énergie lumineuse).

Malgré les conditions défavorables de cet environnement (températures extrêmement élevées et manque de lumière), la disponibilité du sulfure d’hydrogène permet aux bactéries de réaliser la chimiosynthèse.

En utilisant un panache de type branchial hautement vascularisé, le ver est capable d’absorber le dioxyde de carbone dissous, l’oxygène et le sulfure d’hydrogène (l’hémoglobine de ces organismes est capable de lier l’oxygène et les sulfures) . Ils sont ensuite transportés vers des cellules spécialisées appelées bactériocytes où résident des bactéries chimiosynthétiques.

En utilisant le sulfure et l’oxygène, les bactéries produisent de l’énergie (ATP) qui est ensuite utilisée pour convertir le dioxyde de carbone en sucres. Ces sucres sont ensuite utilisés par le mollusque comme source de nourriture.

De telles relations symbiotiques ont également été identifiées avec:

• Solemyid et bivalves lucinidés
• Achinoïdes
• Protistes ciliés
• Éponges marines
• Moules

Certaines des caractéristiques qui ont été associées au symbionte (bactéries chimiosynthétiques) comprennent:

· Avoir une enveloppe Gram-négative

· Varier en forme de petits endosymbiontes coccoïdes d’environ 0,25 um de diamètre à des bactéries chimiotrophes en forme de bâtonnets relativement grandes (environ 10 um de long)

· Selon l’espèce, ils peuvent être des endosymbiontes ou simplement s’attacher à la surface corporelle des hôtes

Retour des bactéries chimiosynthétiques à la maison MicroscopeMaster

Colleen M. Cavanaugh, Zoe P. Mckiness, Irene LG Newton et Frank J. Stewart. (2006). Symbioses chimiosynthétiques marines.

H. W. J annasch. (1985). Le support chimosynthétique de la vie et la diversité microbienne dans les évents hydrothermaux en haute mer.

Jennifer J. Wernegreen. (2013). Endosymbiose.

Zoran Minic etPremila D. Thongbam. (2011). L’évent hydrothermal biologique en haute mer comme modèle pour étudier les enzymes capturant le dioxyde de carbone.

Liens

https://ocw.mit.edu/high-school/biology/exam-prep/cellular-energetics/photosynthesis/chemosynthesis/