En 2013, une équipe de microbiologistes dirigée par le professeur Volker Müller de l’Université Goethe de Francfort a découvert une enzyme inhabituelle dans une bactérie thermophile : la CO2 réductase hydrogène-dépendante HDCR. Il produit de l’acide formique (formiate) à partir d’hydrogène gazeux (H2) et de dioxyde de carbone (CO2), et dans le processus, l’hydrogène transfère des électrons au dioxyde de carbone. Cela fait de ce HDCR la première enzyme connue able d’utiliser directement l’hydrogène. En revanche, toutes les enzymes connues jusqu’alors qui produisent de l’acide formique font un détour : elles obtiennent les électrons à partir d’agents de transfert d’électrons cellulaires solubles, qui pour leur aspect reçoivent les électrons de l’hydrogène à l’aide d’autres enzymes.
La bactérie Thermoanaerobacter kivui se développe loin de l’oxygène, par exemple dans les profondeurs marines, et utilise le CO2 et l’hydrogène pour produire de l’énergie cellulaire. Le HDCR de Thermoanaerobacter kivui se compose de quatre modules protéiques : un qui sépare l’hydrogène, un qui produit de l’acide formique et deux petits modules qui contiennent du fer-soufre. “Il était déjà clair pour nous après notre découverte que ce devaient être les deux petites sous-unités qui transfèrent les électrons d’un module à l’autre”, explique Müller. En 2016, les chercheurs ont observé que l’enzyme forme de longs filaments. Müller : “Nous avons pu voir à quel level cette composition était importante du fait que la formation de filaments stimule massivement l’activité enzymatique.”
Les chercheurs de l’Université Goethe de Francfort, en collaboration avec le groupe dirigé par le Dr Jan Schuller, de l’Université de Marbourg et du Centre LOEWE de microbiologie synthétique, ont maintenant produit un gros program moléculaire de l’enzyme. Grâce à l’analyse par cryo-microscopie électronique, le groupe de Schuller a réussi à déterminer la framework HDCR à résolution atomique. Cela rendait visibles les détails des filaments longs que l’enzyme forme dans des circumstances expérimentales en laboratoire (in vitro) : le squelette des filaments est composé des deux petites sous-unités HDCR, qui sont agencées ensemble pour former une sorte de nanofil avec des milliers de atomes de fer conducteurs d’électrons. “Il s’agit du seul nanofil décoré enzymatiquement découvert à ce jour. Sur ce fil, le module hydrogénase et le module formiate déshydrogénase sont assis comme des têtes de champignon sur un câble”, explique Schuller.
Helge Dietrich, doctorant dans le groupe de Volker Müller à l’Université Goethe de Francfort, a testé une modification génétique des petits modules qui empêchait la formation des filaments HDCR. Le résultat : les composants individuels ou les monomères étaient beaucoup moins actifs que le filament.
Les monomères enzymatiques s’organisent également en buildings filamenteuses à l’intérieur des cellules bactériennes. Le professeur Ben Engel, biologiste cellulaire structural à l’Université de Bâle, et son équipe ont contribué à cette découverte en effectuant une cryo-tomographie électronique. En utilisant cette technique de pointe, les chercheurs ont découvert quelque chose de spécial : “Des centaines de filaments se regroupent pour previous des superstructures en forme d’anneaux. Ces structures sont vraiment frappantes – nous les appelons officieusement des “portails””, explique Engel. Les faisceaux sont évidemment ancrés dans la membrane interne de la cellule bactérienne et s’étendent sur presque toute sa largeur. Le Dr Ricardo Righetto, chercheur principal dans l’équipe de Ben Engel, a analysé la framework des filaments HDCR au sein des bactéries natives : “La tomographie cryo-électronique nous permet de regarder directement à l’intérieur des cellules à très haute résolution. En utilisant cette approche, nous avons été vraiment surpris de ne pas seulement confirmer l’apparition de filaments HDCR dans les cellules, mais pour découvrir qu’ils forment de gros faisceaux attachés à la membrane.”
Cette composition révèle pourquoi l’enzyme HDCR est de plusieurs ordres de grandeur as well as efficace que tous les catalyseurs chimiques et bien meilleure que toutes les enzymes connues pour produire de l’acide formique en tant que “transporteur d’hydrogène organique liquide” à partir d’hydrogène et de CO2 (cf. informations générales). Volker Müller : “Les concentrations d’hydrogène dans l’écosystème de ces bactéries sont faibles et, en outre, les concentrations de CO2 et de H2 peuvent changer. La formation de filaments et de regroupements augmente non seulement considérablement la concentration de ces enzymes dans la cellule. Les milliers de les atomes de fer conducteurs d’électrons dans ce « nanofil » peuvent également stocker les électrons de l’oxydation de l’hydrogène de manière intermédiaire lorsqu’une seule bulle d’hydrogène passe par les bactéries. »
L’équipe est convaincue que toutes les énigmes entourant l’enzyme HDCR n’ont pas encore été résolues grâce à la résolution atomique de la construction. Jan Schuller déclare : « Nous ne savons pas encore remark le fil stocke les électrons, pourquoi la formation de filaments stimule si intensément l’activité enzymatique ou comment les faisceaux sont ancrés dans la membrane. Nous travaillons sur ces issues de recherche. Mais l’avenir du HDCR pourrait être très excitant, estime Volker Müller : « Peut-être serons-nous capables un jour de produire des nanofils synthétiques que nous pourrons utiliser pour capturer le CO2 de l’atmosphère. Nous nous rapprochons également du stockage biologique de l’hydrogène. “