Nouvelles découvertes sur l'évolution, les biocarburants, le vieillissement cellulaire - les biologistes ont mis au point une levure alimentée par la lumière.

Les protéines de rhodopsine verte à l'intérieur des parois cellulaires bleues aident ces levures à pousser plus rapidement lorsqu'elles sont exposées à la lumière. Crédit : Anthony Burnetti, Georgia Institute of Technology

La levure est souvent connue pour sa capacité à fermenter les glucides en produits tels que le pain et la bière, nécessitant généralement un environnement sombre. L'exposition à la lumière dans ces situations peut perturber ou altérer le processus de fermentation.

Cependant, une étude récente publiée dans Current Biology par des chercheurs de l'École des Sciences Biologiques de Georgia Tech présente un développement révolutionnaire : ils ont manipulé l'une des premières souches de levure qui pourrait être plus heureuse avec la lumière allumée.

"Nous avons été franchement choqués de voir à quel point il était simple de transformer les levures en phototrophes (des organismes capables d'exploiter et d'utiliser l'énergie de la lumière)", déclare Anthony Burnetti, un chercheur travaillant dans le laboratoire du Professeur Associé William Ratcliff et auteur correspondant de l'étude. "Il nous a suffi de déplacer un seul gène et elles ont poussé 2% plus vite à la lumière qu'à l'obscurité. Sans aucun réglage précis ou tentative d'incitation, cela a tout simplement fonctionné."

Équiper facilement la levure d'un tel trait évolutionnaire important pourrait avoir de grandes conséquences pour notre compréhension de l'origine de ce trait, ainsi que sur son utilisation pour l'étude de la production de biocarburants, de l'évolution et du vieillissement cellulaire.

Étudiante en doctorat en biologie, Autumn Peterson, auteure principale de l'étude, examine les cellules de levure avec Anthony Burnetti, chercheur scientifique, auteur correspondant de l'étude, dans le laboratoire. Crédit : Audra Davidson, Georgia Institute of Technology

La recherche a été inspirée par les travaux antérieurs du groupe sur l'évolution de la vie multicellulaire. Le groupe a publié son premier rapport sur leur expérience d'évolution à long terme de la multicellularité (MuLTEE) dans Nature l'année dernière, démontrant comment leur organisme modèle unicellulaire, "levure en flocon de neige", a pu évoluer vers la multicellularité sur plus de 3 000 générations.

Tout au long de ces expériences d'évolution, une limitation majeure pour l'évolution multicellulaire est apparue : l'énergie.

"L'oxygène a du mal à se diffuser en profondeur dans les tissus, et vous obtenez des tissus incapables de produire de l'énergie en conséquence", explique Burnetti. "Je cherchais des moyens de contourner cette limitation énergétique basée sur l'oxygène."

Une façon de donner un coup de pouce énergétique aux organismes sans utiliser l'oxygène est la lumière. Cependant, la capacité à transformer la lumière en énergie utilisable peut être compliquée du point de vue évolutif. Par exemple, le mécanisme moléculaire qui permet aux plantes d'utiliser la lumière pour produire de l'énergie implique une multitude de gènes et de protéines difficiles à synthétiser et à transférer vers d'autres organismes, aussi bien en laboratoire que naturellement par évolution.

Heureusement, les plantes ne sont pas les seuls organismes capables de convertir la lumière en énergie.

Une façon plus simple pour les organismes d'utiliser la lumière est avec les rhodopsines : des protéines capables de convertir la lumière en énergie sans avoir besoin de machinerie cellulaire supplémentaire.

"Les rhodopsines se trouvent partout dans l'arbre de la vie et seraient apparemment acquises par des organismes obtenant des gènes les uns des autres au fil du temps évolutif", déclare Autumn Peterson, une étudiante en doctorat en biologie travaillant avec Ratcliff et auteure principale de l'étude.

Ce type d'échange génétique s'appelle le transfert horizontal de gènes et implique le partage d'informations génétiques entre des organismes qui ne sont pas étroitement apparentés. Le transfert horizontal de gènes peut entraîner des sauts évolutifs apparemment importants en peu de temps, comme la capacité des bactéries à développer rapidement une résistance à certains antibiotiques. Cela peut se produire avec toutes sortes d'informations génétiques et est particulièrement courant avec les protéines de rhodopsine.

Les chercheurs en biologie de Georgia Tech qui ont travaillé sur l'étude comprennent (de gauche à droite) le Professeur Assistant William Ratcliff de l'École des Sciences Biologiques, Carina Baskett, rédactrice de subvention au Center for Microbial Dynamics and Infection, Autumn Peterson, étudiante en doctorat en biologie (auteure principale) et Anthony Burnetti, chercheur scientifique (auteur correspondant). Crédit : Audra Davidson, Georgia Institute of Technology

"En cherchant un moyen de donner des rhodopsines à des levures pluricellulaires", explique Burnetti, "nous avons découvert que nous pouvions en apprendre davantage sur le transfert horizontal de rhodopsines qui s'est produit au cours de l'évolution passée en le transférant dans des levures unicellulaires régulières où il n'était jamais allé auparavant."

Pour vérifier s'ils pouvaient doter un organisme unicellulaire de rhodopsines alimentées par l'énergie solaire, les chercheurs ont ajouté un gène de rhodopsine synthétisé à partir d'un champignon parasite à une levure de boulangerie courante. Ce gène spécifique code pour une forme de rhodopsine qui serait insérée dans la vacuole de la cellule, une partie de la cellule qui, comme les mitochondries, permet de convertir les gradients chimiques créés par des protéines comme la rhodopsine en énergie.

Équipées de rhodopsine vacuolaire, les levures ont poussé environ 2% plus vite lorsqu'elles étaient éclairées - un énorme avantage du point de vue de l'évolution.

“Here we have a single gene, and we’re just yanking it across contexts into a lineage that’s never been a phototroph before, and it just works,” says Burnetti. “This says that it really is that easy for this kind of a system, at least sometimes, to do its job in a new organism.”

This simplicity provides key evolutionary insights and says a lot about “the ease with which rhodopsins have been able to spread across so many lineages and why that may be so,” explains Peterson, who Peterson recently received a Howard Hughes Medical Institute (HHMI) Gilliam Fellowship for her work. Carina Baskett, grant writer for Georgia Tech’s Center for Microbial Dynamics and Infection, also worked on the study.

Because vacuolar function may contribute to cellular aging, the group has also initiated collaborations to study how rhodopsins may be able to reduce aging effects in the yeast. Other researchers are already starting to use similar new, solar-powered yeast to study advancing bioproduction, which could mark big improvements for things like synthesizing biofuels.

Ratcliff and his group, however, are mostly keen to explore how this added benefit could impact the single-celled yeast’s journey to a multicellular organism.

“We have this beautiful model system of simple multicellularity,” says Burnetti, referring to the long-running Multicellularity Long-Term Evolution Experiment (MuLTEE). “We want to give it phototrophy and see how it changes its evolution.”