Les communautés microbiennes sont particulièrement actives près des suintements hydrothermaux comme ceux du bassin de Guaymas dans le golfe de Californie. L’équipe de chercheurs travaille depuis de nombreuses années à la compréhension de ces communautés. La matière organique déposée dans le bassin de Guaymas est cuite par des sources de chaleur provenant de l’intérieur de la Terre, qui la décompose en pétrole brut et en gaz naturel. Leurs composants fournissent la principale source d’énergie pour les micro-organismes dans un environnement autrement hostile. Dans leur dernière étude, les chercheurs ont démontré que les archées utilisent un mécanisme jusqu’alors inconnu pour dégrader les alcanes de pétrole liquides à des températures élevées sans la présence d’oxygène.
Les alcanes sont des composés hautement stables de carbone et d’hydrogène. Ce sont des composants naturels du gaz naturel et du pétrole brut. Ce dernier est raffiné par les humains en carburants comme l’essence et le kérosène. Des catastrophes environnementales se produisent à plusieurs reprises en raison d’accidents lors de l’extraction du pétrole brut. L’accident survenu sur la plate-forme de forage Deepwater Horizon, qui a causé de graves dommages environnementaux dans le golfe du Mexique en raison des effets toxiques des composés du pétrole brut comme les alcanes liquides, en est un excellent exemple. En présence d’oxygène, les micro-organismes peuvent décomposer rapidement de nombreux composants du pétrole brut, entre autres les alcanes. Sans l’oxygène réactif, cependant, la dégradation est considérablement plus difficile. Les organismes capables d’effectuer cette tâche n’ont pas fait l’objet de recherches approfondies. Ces dernières années, cependant, des preuves ont été trouvées que les archées sont capables d’employer un mécanisme surprenant pour ce faire. Il est basé sur des variantes récemment découvertes de l’enzyme clé de la méthanogénèse et de la dégradation anaérobie du méthane, la méthyl-coenzyme M réductase (MCR). Les gènes qui codent pour ces enzymes ont été trouvés dans de nombreux échantillons environnementaux. Cependant, les cultures de laboratoire des microbes qui pourraient illustrer la fonction de ces enzymes faisaient toujours défaut. C’est là que l’étude en laboratoire d’Hanna Zehnle et de ses collègues prend tout son sens.
L’équipe a utilisé des sédiments du bassin de Guaymas à 2000 mètres de profondeur dans le golfe de Californie. Les conditions géologiques particulières qui existent ici comprennent des températures élevées, des composants de pétrole brut liquide et un environnement anaérobie à de faibles profondeurs de sédiments, qui ne se trouvent normalement que dans des réservoirs de pétrole profonds difficiles d’accès pour les scientifiques.
Dans les laboratoires de Brême, les chercheurs ont préparé des cultures avec des alcanes liquides et les ont laissées pousser en anaérobiose, c’est-à-dire sans oxygène, à des températures élevées (70 degrés Celsius). « Après un certain temps », explique le premier auteur Hanna Zehnle, « le sulfure se forme dans les cultures. Cela prouve qu’ils sont actifs. » La composition des cultures est étudiée à l’aide d’échantillons d’ADN et d’ARN. « Avec cette méthode, nous pouvons découvrir quels organismes vivent dans ce système et quelles voies métaboliques ils utilisent », explique Zehnle. Il s’agit notamment des réactions chimiques dans lesquelles les substances sont métabolisées. Ils ont trouvé des archées du genre Candidat Alcanophaga dans les cultures. Ces archées utilisent des variantes du MCR pour décomposer les alcanes. Les chercheurs ont vérifié cela par les données du transcriptome, la mesure des produits enzymatiques et en démontrant l’inactivité des cultures lorsque l’enzyme était inhibée. Mais les organismes ne sont pas capables de dégrader seuls le pétrole brut. La respiration, sous forme de réduction de sulfate dans ce cas (car aucun oxygène n’est présent), est réalisée par des bactéries du genre Thermodésulfobactériequi forment des consortiums denses avec les archées.
La méthanogenèse est l’un des plus anciens processus métaboliques connus et fait partie du cycle global du carbone. L’étude en laboratoire menée par Hanna Zehnle et ses collègues montre que les enzymes impliquées dans ce processus peuvent également utiliser des hydrocarbures liquides (et donc toxiques), ce qui met en évidence la pertinence de cette voie pour le cycle global du carbone.
« Grâce à leurs capacités nouvellement découvertes, Alcanophaga et leurs proches ciblent les hydrocarbures dans les réservoirs de pétrole. Le pétrole restant devient de plus en plus solide et a donc tendance à rester dans le fond marin », explique l’auteur correspondant Gunter Wegener. « Nous n’avons toujours pas été en mesure d’enquêter sur les réservoirs de pétrole profonds, mais les archées dérangent certainement l’industrie pétrolière avec leur activité. . Mais ils contribuent également de manière importante au fait que les suintements d’huile naturelle sont rares. »
Cette étude fait partie de la recherche au sein du cluster d’excellence « The Ocean Floor – Earth’s Uncharted Interface », qui est hébergé au MARUM. Entre autres domaines de recherche, des investigations sont menées ici pour déterminer quels micro-organismes et conditions environnementales confèrent au fond de l’océan les qualités requises pour fonctionner comme un réacteur équilibrant le cycle du carbone terrestre depuis des temps immémoriaux. La question de savoir de quoi vivent les organismes de la biosphère profonde dans les gammes de températures élevées est l’un des thèmes centraux du Pôle.
