Enrichissement et caractérisation d'un oxyde nitrique

Mar 06, 2024

Nature Microbiology volume 8, pages 1574-1586 (2023)Citer cet article

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L'oxyde nitrique (NO) est une molécule hautement réactive et active sur le climat et un intermédiaire clé dans le cycle microbien de l'azote. Malgré son rôle dans l'évolution de la dénitrification et de la respiration aérobie, son potentiel rédox élevé et sa capacité à soutenir la croissance microbienne, notre compréhension des micro-organismes réducteurs de NO reste limitée en raison de l'absence de cultures microbiennes réductrices de NO obtenues directement de l'environnement en utilisant le NO comme substrat. substrat. Ici, en utilisant un bioréacteur continu et un apport constant de NO comme seul accepteur d'électrons, nous avons enrichi et caractérisé une communauté microbienne dominée par deux micro-organismes jusqu'alors inconnus qui se développent à des concentrations nanomolaires de NO et survivent à des quantités élevées (> 6 µM) de ce gaz toxique. , le réduisant à N2 avec une production faible, voire non détectable, de protoxyde d'azote, un gaz à effet de serre. Ces résultats donnent un aperçu de la physiologie des micro-organismes réducteurs de NO, qui jouent un rôle central dans le contrôle des gaz actifs sur le climat, l’élimination des déchets et l’évolution de la respiration des nitrates et de l’oxygène.

L'oxyde nitrique (NO) est une molécule fortement oxydante ayant des fonctions importantes en biologie cellulaire et en chimie atmosphérique. Dans l’atmosphère, le NO contribue à la pollution de l’air en tant que précurseur du puissant gaz à effet de serre, l’oxyde nitreux (N2O), à la production de pluies acides et à l’appauvrissement de la couche d’ozone1,2. En biologie cellulaire, le NO se diffuse facilement à travers les membranes cellulaires et réagit rapidement avec d’autres radicaux libres et avec les métaux de transition3, ce qui le rend hautement toxique pour la vie microbienne4,5. Les propriétés physicochimiques du NO en font également une molécule de signalisation précieuse6 et un intermédiaire clé dans le renouvellement des espèces azotées inorganiques7, soulignant que les micro-organismes ont développé des stratégies non seulement pour détecter et détoxifier le NO, mais aussi pour le respirer très efficacement5,8,9.

En fait, sur la Terre primitive, bien avant le début de la photosynthèse oxygénée, le NO produit par la foudre et le volcanisme était l'oxydant le plus puissant disponible pour la vie (\({E}_{0}^{{{\prime} }}\) = +1,173 V (NO/N2O)) (\({E}_{0}^{{{\prime} }}\), potentiel médian standard)10,11,12. Par conséquent, on émet l’hypothèse que, avant l’émergence de la respiration aérobie, le NO a joué un rôle clé dans l’évolution d’une voie bioénergétique liée à la dénitrification moderne12, dans laquelle les NO réductases ancestrales (NOR) ont servi de précurseurs aux oxydases terminales utilisées plus tard. en respiration aérobie13,14,15. Cela suggère qu’une grande diversité de micro-organismes capables de récupérer l’énergie de la réduction du NO, quelle que soit sa toxicité, ont dû évoluer au début de l’histoire de la vie sur notre planète.

Dans le cycle moderne de l’azote, le NO est un intermédiaire clé dans les deux seuls processus qui rejettent du N2 dans l’atmosphère : l’oxydation anaérobie de l’ammonium (anammox) et la dénitrification7. Pendant l'anammox, les bactéries du phylum des Planctomycètes réduisent le nitrite (NO2−) en NO, qui est ensuite utilisé pour activer l'ammonium en hydrazine en l'absence d'oxygène16. Lors de la dénitrification, le NO est transformé lors de la réduction progressive du nitrate (NO3−) en N2 (NO3− → NO2− → NO → N2O → N2) par une grande diversité de micro-organismes répandus dans tout l'arbre de la vie17. Contrairement à l'anammox, la dénitrification peut être réalisée soit individuellement par des micro-organismes uniques, soit par des consortiums de divers micro-organismes, chaque micro-organisme effectuant une ou plusieurs réactions distinctes de réduction de l'oxyde de N (équations (1) à (4)). . Dans cette optique, divers micro-organismes réducteurs de N-oxyde ont été isolés en utilisant du NO3− et les intermédiaires de dénitrification NO2− et N2O, mais pas le NO 18,19. Cependant, une croissance microbienne directement sur ce substrat a été démontrée ; par exemple, il a été démontré que les bactéries anammox se développent directement sur le NO et l'ammonium en l'absence de NO2− (réf. 8), et il a été suggéré que les micro-organismes dénitrifiants augmentent leur biomasse lorsqu'ils sont nourris avec du NO dans différentes conditions . Pourtant, les informations sur la croissance des micro-organismes dénitrifiants sur le NO sont rares, et nos connaissances concernant la physiologie de la réduction du NO, que ce soit en tant que réaction autonome ou dans le cadre du processus de dénitrification, sont basées sur des cultures qui n'ont pas été obtenues avec du NO et sont généralement limitée à l’inhibition et aux effets toxiques du NO sur les cellules5.