Vous connaissez probablement la levure, car lorsqu'elle est fermentée dans l'obscurité, elle convertit les glucides en produits comme le pain et la bière. Dans ces cas-là, l’exposition à la lumière peut entraver, voire détruire ce processus. Dans une nouvelle étude publiée dans Current Biology, des chercheurs de l'École des sciences biologiques de Georgia Tech ont mis au point la première souche au monde de levure améliorant la lumière qui préfère les environnements lumineux.
Anthony Burnett a déclaré : « Franchement, nous avons été choqués de voir à quel point il était facile de convertir la levure en phototrophes (organismes capables d'exploiter l'énergie lumineuse). Tout ce que nous avions à faire était de déplacer un gène et ils ont grandi 2 % plus vite dans la lumière que dans l'obscurité. Sans aucun réglage précis ni aucune persuasion élaborée, cela a simplement fonctionné.
Équiper facilement la levure d'un trait aussi important sur le plan évolutif pourrait avoir d'énormes implications pour notre compréhension de l'origine de ce trait et de la manière dont il peut être utilisé pour étudier des problèmes tels que la production de biocarburants, l'évolution et le vieillissement cellulaire.
À la recherche d'un regain d'énergie
L'étude s'inspire des travaux antérieurs du groupe sur l'évolution de la vie multicellulaire. L’équipe a publié l’année dernière son premier rapport sur l’expérience d’évolution multicellulaire à long terme (MuLTEE) dans Nature, révélant comment leur organisme modèle unicellulaire, la levure flocon de neige, a évolué en multicellularité sur 3 000 générations.
Dans ces expériences évolutives, une limitation majeure de l’évolution multicellulaire est apparue : l’énergie.
"L'oxygène a du mal à se diffuser profondément dans les tissus, ce qui donne des tissus qui n'ont pas la capacité de gagner de l'énergie." "J'ai cherché des moyens de contourner cette limitation énergétique basée sur l'oxygène."
La lumière est une façon de fournir de l’énergie aux organismes vivants sans utiliser d’oxygène. Mais d’un point de vue évolutif, la capacité à convertir la lumière en énergie utilisable est compliquée. Par exemple, la machinerie moléculaire qui permet aux plantes d’utiliser la lumière comme énergie implique de nombreux gènes et protéines difficiles à synthétiser et à transférer à d’autres organismes, tant en laboratoire que par l’évolution naturelle.
Heureusement, les plantes ne sont pas les seules créatures à convertir la lumière en énergie.
reste simple
Un moyen plus simple pour les organismes d’utiliser la lumière consiste à utiliser la rhodopsine : une protéine qui convertit la lumière en énergie sans avoir recours à une machinerie cellulaire supplémentaire.
"La rhodopsine est présente dans tout l'arbre de vie et a apparemment été acquise par des organismes acquérant des gènes les uns des autres au cours de l'évolution", a déclaré Autumn Peterson, l'auteur principal de l'étude.
Ce type d’échange génétique est appelé transfert horizontal de gènes et implique le partage d’informations génétiques entre des organismes qui ne sont pas étroitement liés. Le transfert horizontal de gènes peut provoquer des sauts évolutifs apparemment énormes en peu de temps, comme par exemple la façon dont les bactéries deviennent rapidement résistantes à certains antibiotiques. Cela peut se produire avec toutes les informations génétiques, mais particulièrement avec la protéine rhodopsine.
"En recherchant des moyens de transférer la rhodopsine dans une levure multicellulaire, nous avons découvert que nous pouvions comprendre le transfert horizontal de rhodopsine qui s'est produit dans le passé au cours de l'évolution en la transférant dans une levure unicellulaire ordinaire."
Pour voir s'ils pouvaient équiper les organismes unicellulaires de rhodopsine solaire, les chercheurs ont ajouté un gène de rhodopsine synthétisé par un champignon parasite à la levure de boulanger commune. Ce gène particulier code pour une forme de rhodopsine qui est insérée dans les vacuoles de la cellule, la partie de la cellule qui, comme les mitochondries, convertit les gradients chimiques créés par des protéines comme la rhodopsine en énergie.
Équipée de rhodopsine vacuolaire, la levure se développait environ 2 % plus rapidement à la lumière, un énorme avantage pour l'évolution.
"Ici, nous avons un seul gène et nous l'avons simplement transféré à travers des environnements dans une lignée qui n'avait jamais été phototrophe auparavant, et cela fonctionne comme ça." "Cela montre qu'il est très facile pour ce système de fonctionner, au moins parfois, dans un nouvel organisme."
Cette simplicité fournit des informations clés sur l’évolution, et les chercheurs illustrent « avec quelle facilité et pourquoi la rhodopsine peut se propager à travers autant de lignées ».
Puisque la fonction vacuolaire peut contribuer à la sénescence cellulaire, le groupe a également commencé à collaborer pour étudier comment la rhodopsine pourrait réduire les effets du vieillissement chez la levure. D'autres chercheurs ont commencé à utiliser de nouvelles levures similaires alimentées par l'énergie solaire pour étudier la production biologique avancée, ce qui pourrait marquer une avancée majeure dans la synthèse des biocarburants et bien plus encore.
Cependant, l’équipe s’intéresse davantage à l’exploration de la manière dont cet avantage supplémentaire affecte la transition de la levure unicellulaire aux organismes multicellulaires.
"Nous avons ce magnifique système modèle multicellulaire simple", a déclaré Burnett, faisant référence à l'expérience d'évolution multicellulaire à long terme (MuLTEE) de longue date. "Nous voulions lui donner des photonutriments et voir comment cela change son évolution."