La communication entre bactéries au sein d'un consortium, une clé pour la production de biohydrogène

La communication entre bactéries au sein d’un consortium, une clé pour la production de biohydrogène

 

La production de Biohydrogène, un biocarburant de 3eme génération, à partir de la dégradation de la biomasse constitue une opportunité pour la production d’énergie renouvelable sans émission de gaz à effet de serre. Sa maîtrise nécessite d'élucider les mécanismes des interactions microbiennes. L’équipe de Marie Thérèse Giudici-Orticoni du laboratoire de Bioénergétique et ingénierie des protéines, en collaboration le laboratoire de Biotechnologie de l’environnement, a mis en évidence des interactions physiques et métaboliques au sein d’un consortium bactérien impliqué dans la dégradation de la biomasse. Ces interactions permettent aux bactéries de se développer dans des conditions de stress nutritionnel, et augmentent la production de biohydrogène. Ces travaux, publiés dans la revue Nature Communication, ouvrent la voie à de nouvelles approches pour la production contrôlée de biohydrogène à partir de la biomasse.

 

Le métabolisme bactérien est, en général, abordé par l’étude de systèmes modèles, se développant en culture pure en conditions optimales ou dans des conditions très spécifiques de stress. Ces travaux ont largement contribué à la compréhension des grandes voies métaboliques. Toutefois, dans la nature, ces conditions idéales n’existent pas et les bactéries sont soumises à différents stress et coexistent avec d’autres, formant une « société avancée » impliquée, entre autres, dans les grands cycles géochimiques (carbone, soufre, azote…). Les interactions métaboliques mises en place font que le phénotype de cette communauté ne correspond pas au génotype des éléments qui la constituent.

Dans des environnements anaérobies, la dégradation de la biomasse qui conduit à la production de biogaz, fait intervenir différentes espèces et nécessite un couplage et une synchronisation métabolique forte afin d’optimiser cette dégradation en évitant tout effet d’inhibition. Afin de mieux appréhender ces processus, les chercheurs ont constitué un consortium synthétique de deux bactéries, Clostridium et Desulfovibrio, présentes dans les consortia impliqués dans la dégradation de la biomasse. Ces deux bactéries sont connues, l’une (Clostridium) comme étant responsable de la production d’hydrogène via la fermentation des sucres, l’autre (Desulfovibrio) comme étant impliquée, en fonction des conditions environnementales, dans la production ou la consommation d’hydrogène.

Dans des conditions environnementales telles qu’une seule des deux bactéries (Clostridium) puisse se développer en culture pure, l’imagerie de fluorescence a permis aux chercheurs de démontrer l’existence d’interactions physiques entre les deux bactéries, interactions associées à un échange de molécules cytoplasmiques qui permettent la croissance des deux bactéries simultanément dans le consortium. L’ajout des substrats spécifiques de chacune des bactéries conduit à la disparition de ces interactions, démontrant que ces interactions sont liées au stress nutritionnel. Ces travaux novateurs soulignent de plus qu’il s’agit là d’un comportement générique lors d’un stress nutritionnel en condition anaérobie.

En parallèle, une analyse métabolique démontre que ces interactions ont un impact sur le flux de carbone dans Clostridium et conduisent à une production de biohydrogène trois fois plus importante, cinq fois plus rapide et beaucoup plus stable dans le cadre du consortium comparé à celle d’une culture pure.

Ces modifications métaboliques suggèrent que la compréhension du métabolisme et de sa régulation au sein de consortia bactériens offre une voie d’ingénierie écologique des écosystèmes bactériens, au moins aussi efficace, voire plus, que ceux obtenus par mutagénèse pour contrôler et modifier les voies métaboliques pour la production de biogaz.

Ces travaux, en plus de leur apport à la compréhension fine du fonctionnement d’un consortium bactérien, ouvrent donc une perspective majeure dans le domaine de la production de biohydrogène, biocarburant de 3ème génération. Ils permettent en effet d’envisager une conduite raisonnée et optimisée des processus microbiens ancrée sur la connaissance des métabolismes et des interactions entre populations. Alors que cette approche était inimaginable quelques années auparavant, les progrès réalisés et à venir dans les domaines de la physiologie et du contrôle métabolique permettent d’obtenir des réponses sur le fonctionnement et le contrôle d’un écosystème complexe.

 

Figure : L’échange de matériel cytoplasmique entre C. acetobutylicum et D. vulgaris conduit à une production de dihydrogène (H2) plus importante par C. acetobutylicum. C. acetobutylicum est marquée par la calcéine (en vert), D. vulgaris marquée par mCherry (en rouge). La couleur jaune indique la présence des deux fluorophores au même endroit dans la bactérie. Echelle = 4 µm

© M-T Giudici

 

En savoir plus

  • Nutritional stress induces exchange of cell material and energetic coupling between bacterial species.
    Saida Benomar, David Ranava, María Luz Cárdenas, Eric Trably, Yan Rafrafi, Adrien Ducret, Jérôme Hamelin, Elisabeth Lojou, Jean-Philippe Steyer and Marie-Thérèse Giudici-Orticoni
    Nature Communications 2015. 6, Article number:6283. doi:10.1038/ncomms7283.

     

Contact chercheur

  • Marie-Thérèse Giudici-Orticoni

    Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines
    UMR 7281 CNRS et Aix Marseille Université 
    Institut de Microbiologie de la Méditerranée
    31 Chemin Joseph Aiguier
    13402 Marseille cedex 20
    France

    Tel : 33 4 91 16 45 50