Nouvelles connaissances sur la manière dont les protéines cyanobactériennes recyclent le carbone dans des conditions changeantes

Les produits de la photosynthèse sont faciles à signaler. Les plantes, les algues et les cyanobactéries créent l’air que nous respirons et le carburant des réseaux alimentaires en transformant le dioxyde de carbone et l’eau en oxygène et en sucres. Le fonctionnement de la photosynthèse est cependant beaucoup plus difficile à cerner.

La photosynthèse semble avoir beaucoup en commun avec une machine de Rube Goldberg : des dépendances surprenantes, des connexions complexes et de très nombreuses pièces mobiles. Un grand nombre de ces pièces mobiles sont des protéines, des structures d’acides aminés qui récoltent la lumière, transportent des molécules et régulent les réactions. Il est difficile d’identifier ces protéines, puis de comprendre ce qu’elles font.

Les protéines sont minuscules, invisibles même au microscope optique le plus puissant et inconstantes, cachant souvent leur fonction même au scientifique le plus déterminé.

Œuvre parue dans Communications naturelles relève le défi de comprendre l’une de ces protéines – et son rôle dans la photosynthèse – chez la cyanobactérie Synechocystis.

Grâce à une série d'expériences menées dans des universités et des installations d'utilisateurs nationaux, les chercheurs ont découvert que cette protéine détecte le fer et ajuste la production d'énergie, permettant ainsi aux cyanobactéries de s'adapter rapidement à leur environnement.

“La protéine que nous avons étudiée est un régulateur très intéressant qui peut faire le lien entre la photosynthèse, la respiration et l'homéostasie riche en fer”, a déclaré Nicolas Grosjean, premier auteur de cet article. Grosjean est chercheur scientifique au Joint Genome Institute (JGI) du Département américain de l'énergie (DOE), une installation du Bureau des utilisateurs scientifiques du DOE située au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Structurellement, cette protéine est également unique. “Le site hème-métal que nous avons trouvé dans la structure cristalline, à notre connaissance, est un type de protéine métallique dont personne n'a jamais eu de structure auparavant”, a déclaré Crysten Blaby-Haas, chercheuse scientifique au JGI et Molecular Foundry et auteur principal de l’étude.

Dans d’autres protéines, deux résidus histidine peuvent être trouvés pour prendre en sandwich une molécule hème contenant du fer. Dans la structure protéique étudiée par Grosjean et Blaby-Haas, ce sandwich possède une couche externe supplémentaire : deux ions zinc, un composant qu'ils ont appelé site hème miroir du zinc.

Pour obtenir autant de détails sur cette structure, Grosjean et Blaby-Haas ont collaboré avec un certain nombre de chercheurs de l'Albert Einstein College of Medicine, de l'Université de Washington à St. Louis et de l'Université de Californie à Berkeley, ainsi qu'avec d'autres établissements utilisateurs du DOE. La source de lumière synchrotron nationale II du Laboratoire national de Brookhaven et la source de lumière de rayonnement synchrotron de Stanford du SLAC National Accelerator Laboratory.

“Le DOE dispose de ressources et de personnes extraordinaires – pas seulement en termes d'instruments – mais aussi d'experts avec lesquels nous avons pu travailler sur ce projet pour poser des questions sur la structure et la fonction”, a déclaré Blaby-Haas.

Examiner des plans à haut débit

Ce travail s’appuie sur de nombreux autres efforts visant à comprendre la machine de photosynthèse de Rube Goldberg. Historiquement, il s’agit d’une machine qui a échappé aux expériences directes, c’est pourquoi les chercheurs ont étudié les plans directeurs qui donnent naissance aux parties protéiques de cette machine – l’ADN et l’ARN des photosynthétiseurs. Ces séquences fournissent une liste de pièces de machine et une idée de leurs regroupements.

Un effort crucial dans ce sens est venu du groupe de Sabeeha Merchant, professeur à l'UC Berkeley et collaborateur de longue date du JGI. En 2011, ils ont inventorié une série de plans pour trouver des pièces communes aux photosynthétiseurs. Le résultat final était une liste de gènes, appelée The GreenCut2 Resource. Il détaille 597 gènes codant pour des protéines uniques aux organismes photosynthétiques.

“Et c'est peut-être surprenant pour beaucoup de gens – pour beaucoup de gènes figurant sur cette liste – que nous n'ayons aucune idée de ce qu'ils font”, a déclaré Blaby-Haas. Pourtant, ces gènes sont essentiels à la photosynthèse. Les comprendre pourrait ouvrir la voie à de nouvelles façons de recycler le carbone, d’optimiser les cultures et de créer des bioproduits.

Blaby-Haas et son collègue Ian Blaby, co-auteur de la nouvelle étude, ont donc entrepris de s'attaquer à certains de ces gènes, en exprimant et en purifiant la gamme de protéines produites par ces gènes, pour identifier des exemples qui fonctionneraient bien in vitro et expériences in vivo.

Dans un projet dirigé par Blaby, dans le cadre de ce qui est maintenant l'appel à propositions de génomique fonctionnelle du programme scientifique communautaire, le JGI a synthétisé des centaines de gènes représentant une partie des gènes GreenCut avec une fonction inconnue ou incertaine. Ces gènes permettraient à l’équipe d’exprimer cette bibliothèque de protéines codées à haut débit. “Le projet de synthèse JGI a été l'étincelle qui a tout déclenché”, a déclaré Blaby-Haas.

Un nom plus approprié pour une Jane Doe

Après avoir examiné des centaines de protéines GreenCut2, Blaby-Haas a émergé avec plusieurs idées de protéines qui semblaient intéressantes et réalisables à étudier. Ces candidats fonctionneraient bien dans d’autres expériences, afin qu’elle puisse glaner des informations sur leur fonction spécifique, complétant ainsi notre compréhension de la photosynthèse.

Une cible initiale était une famille de protéines apparaissant dans les plantes et les algues et contenant une région similaire, un domaine de fonction inconnue, DUF2470.

Dans le monde des protéines, un domaine aux fonctions inconnues ressemble un peu à Jane Doe : anonyme, mystérieux, omniprésent. Blaby-Haas et son équipe se sont lancés dans un projet qui leur permettrait éventuellement de donner un visage à ce domaine aux fonctions inconnues.

Tout d’abord, ils ont parcouru l’arbre de vie, effectuant une recherche CTRL+F très complexe pour ce domaine, à la recherche d’indices contextuels susceptibles de les orienter vers la fonction de ce domaine. Ils ont trouvé de nombreuses instances de ce domaine, souvent liées à d’autres structures protéiques. À plusieurs reprises, cette recherche a fait apparaître un autre partenaire important pour cette protéine : une molécule liée au fer appelée hème.

Les photosynthétiseurs dépendent du fer et de l’hème pour les réactions de la photosynthèse dépendantes de la lumière, c’était donc un partenaire passionnant. La photo de cette Jane Doe devenait nette. Blaby-Haas et son équipe ont émis l'hypothèse que le DUF2470 était la clé du métabolisme du fer et l'ont renommé « Domaine lié au fer », ou DRI en abrégé.

Un kaléidoscope de données structure-fonction

Pour étudier expérimentalement le DRI, Blaby-Haas, Grosjean et leur équipe ont utilisé un organisme modèle qui produit ce domaine en tant que protéine autonome, la cyanobactérie Synechocystis. Travailler avec Synechocystis a également ouvert des options pour étudier des versions modifiées de ce domaine protéique.

Dans une série d'expériences informatiques, in vitro et in vivo, ils ont examiné comment ce domaine lie le fer et comment cela est lié à la manière dont Synechocystis cycle le carbone.

Ces expériences ont exploité les installations du DOE Office of Science de manière complémentaire pour étudier ce domaine protéique. Les scientifiques du NSLS-II du Brookhaven National Laboratory ont utilisé plusieurs techniques de rayons X combinées à des simulations informatiques avancées pour prendre des photos de la protéine avec et sans son partenaire hème, révélant que la protéine contient des atomes de zinc se reflétant de chaque côté de l'hème.

Les scientifiques du SSRL de Stanford ont pu fournir des données cruciales étayant la présence du site hème miroir du zinc, le composant structurel passionnant qui distingue cette molécule.

Pour mieux comprendre comment la structure révélée de la protéine était liée à sa fonction à l'intérieur de la cellule, Grosjean a utilisé l'outil d'extraction de séquence et d'ARN guide développé par JGI (gRNA-SeqRET) pour produire des mutants knock-out pour les expériences. Lorsque la cyanobactérie perd cette protéine, le métabolisme énergétique est perturbé.

Ces données créent une compréhension à plusieurs niveaux de ce domaine lié au fer, un effort interdisciplinaire et collaboratif. “Toutes les installations utilisatrices avec lesquelles nous avons travaillé sont à la pointe en termes d'analyse et de résultats fascinants que nous avons réussi à compiler”, a déclaré Grosjean.

Grâce à cet éventail de résultats, cette équipe a refondu un domaine de fonction inconnue en domaine lié au fer, et a défini la structure et la fonction de cette protéine.

À partir d’un gène, ils ont découvert un site hème miroir de zinc intéressant qui joue un rôle clé dans la détection du fer et la régulation du métabolisme lors de la photosynthèse des cyanobactéries. Cela identifie une partie de la photosynthèse qui détermine les cycles du carbone dans l’océan.

Étant donné que des domaines protéiques similaires existent dans les plantes et les algues, ces découvertes pourraient également ouvrir la voie à d’autres photosynthétiseurs.