C'est le premier électron qui compte

Tout ce qui vit a besoin d'énergie. Cela vaut également pour les micro-organismes. Souvent, les cellules produisent l'énergie par la respiration, c'est-à-dire en br?lant des composés organiques. Ce processus libère des électrons dont les micro-organismes doivent se débarrasser. Si l'oxygène n'est pas disponible, ils utilisent d'autres moyens, dont le transport des électrons sur des minéraux à l'extérieur des cellules.

Les taux de réduction varient fortement

Dans les sédiments lacustres ou les sols dépourvus d'oxygène, les oxydes de fer en particulier jouent un r?le important en tant qu'accepteurs des électrons libérés. Mais comment les électrons passent-ils de la combustion dans les cellules aux oxydes de fer qui se trouvent à l'extérieur de la cellule ? Pour cela, les micro-organismes utilisent des molécules particulières qui, à la manière d'un taxi, récupèrent deux électrons à la surface de la cellule et les transportent vers les oxydes de fer. Là, les deux électrons sortent et réduisent le fer trivalent en fer divalent. Le taxi est à nouveau libre et peut à nouveau transporter des électrons.

Ces navettes électroniques extracellulaires, ou EES, sont connues depuis longtemps. Cependant, on ne savait pas encore pourquoi leur efficacité dépendait fortement de leur structure et des conditions environnementales - et donc pourquoi le rythme de réduction de l'oxyde de fer variait sur plusieurs ordres de grandeur. Jusqu'à présent, les tentatives d'expliquer les grandes différences d'efficacité par des facteurs connus tels que la valeur du pH ou la différence d'énergie entre les électrons dans les taxons électroniques et le fer dans les oxydes n'ont pas été couronnées de succès.

Les électrons doivent être considérés individuellement

Une étude qui vient d'être publiée dans la revue PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) publiée par des chercheurs de l'Eawag et de l'ETH Zurich montre désormais comment les différences d'efficacité de l'EES peuvent être expliquées par une relation unique et univoque. "Nous n'avons pas considéré comme jusqu'à présent l'énergie moyenne des deux électrons transportés, mais le niveau d'énergie respectif de chacun d'eux", explique Meret Aeppli, première auteure de l'étude. Il s'est avéré que le transfert du premier électron de l'EES à l'oxyde de fer est souvent nettement moins favorable du point de vue énergétique que le transfert du deuxième", explique Thomas Hofstetter, chimiste de l'environnement à l'Eawag.

Les chercheurs ont pu montrer que la différence d'énergie entre le premier électron transféré par l'EES et l'oxyde de fer détermine le taux de réduction du fer. Cette approche a permis d'expliquer les différences d'efficacité de différentes EES, et ce aussi bien sur une large plage de pH que pour deux oxydes de fer différents. Michael Sander, professeur de chimie organique de l'environnement à l'ETH Zurich, résume le processus de manière imagée : "Dans de nombreuses conditions, le premier électron ne veut en fait pas descendre du taxi EES, mais il est en quelque sorte poussé vers l'extérieur par le deuxième électron depuis la banquette arrière".

Transfert d'électrons rendu visible par la lumière UV

Pour leur étude, les auteurs ont à la fois développé leurs propres expériences et collecté des données, et intégré les résultats d'études passées. Pour les expériences menées dans les laboratoires de l'Eawag et de l'ETH, les chercheurs ont utilisé des molécules EES naturelles et synthétiques et ont étudié deux oxydes de fer (III) très répandus. Les chercheurs ont pu visualiser le taux de transfert d'électrons des EES vers les oxydes de fer, et donc l'efficacité du transport d'électrons, gr?ce à la lumière UV. En effet, celle-ci est absorbée différemment par les EES, selon qu'ils voyagent avec ou sans les deux électrons.

Petites mais efficaces

Cette étude ne décrit qu'une petite étape de la respiration microbienne. Mais elle est centrale dans de nombreux processus. Et comme elle est enfin comprise de manière universelle, les chercheurs peuvent désormais mieux comparer la respiration anaérobie sur les phases minérales entre les études et les systèmes. Aussi petit que cela puisse para?tre, ce pas peut être pertinent pour la compréhension de processus biogéochimiques globaux - par exemple la dégradation anaérobie de la matière organique dans le permafrost en dégel, un processus au cours duquel d'énormes quantités de CO₂ peuvent être libérés.

Cet article d'Andri Bryner a été publié pour la première fois sur le page externePlate-forme d'actualités de l'Eawag.