Le rayonnement synchrotron révèle le mécanisme de tolérance de la microalgue acidophile PM01 à des concentrations élevées de manganèse

Des chercheurs ont utilisé la technique du rayonnement synchrotron pour révéler le mécanisme clé de survie d'une microalgue verte acidophile dans un environnement à forte concentration de manganèse. L'objet d'étude est Chlamydomonas acidophila PM01 (C. acidophila PM01), une microalgue initialement isolée d'un bassin de drainage minier acide, capable de survivre à des concentrations de manganèse allant jusqu'à 50 mM, soit environ 2,75 g/L, ce qui en fait l'une des microalgues les plus tolérantes au manganèse jamais rapportées.

Le manganèse est un élément nutritif nécessaire aux organismes vivants, mais lors de processus tels que l'exploitation minière, le traitement du minerai et la production de manganèse électrolytique, des concentrations élevées de manganèse peuvent pénétrer dans les eaux et former une pollution. En particulier dans les eaux acides, l'élimination du manganèse est plus difficile. Certains micro-organismes peuvent s'adapter à ces environnements extrêmes, mais leurs mécanismes de tolérance doivent encore être élucidés à l'aide de méthodes d'analyse fines.

Pour analyser la stratégie de survie de PM01, l'équipe de recherche a mené des expériences à la source de lumière synchrotron Elettra à Trieste, en Italie, en combinant plusieurs techniques : la microscopie à fluorescence X à basse énergie (LE-µXRF), la microscopie à rayons X en transmission à balayage (STXM), la spectroscopie de structure fine d'absorption X près du seuil (XANES), ainsi que la microscopie infrarouge à transformée de Fourier par rayonnement synchrotron (SR-FTIR). Ces méthodes ont respectivement permis d'observer la distribution des éléments clés dans les cellules, d'identifier les caractéristiques structurelles des cellules, de déterminer la forme chimique du manganèse et d'analyser la réponse biochimique des cellules à l'exposition au manganèse.

Microphotographies caractéristiques LE-µXFM et d'absorption STXM de cellules de C. acidophila PM01, avec une résolution spatiale de 400 nm, non traitées (témoin) ou traitées avec 20 mM de MnCl₂ pendant 24 h ou 72 h

Les résultats expérimentaux montrent que le manganèse ne s'accumule pas uniformément dans les cellules de PM01, mais se répartit principalement autour du noyau cellulaire et dans les zones riches en oxygène en périphérie cellulaire. Cette distribution est cohérente avec le phénomène de séquestration du manganèse dans les vacuoles, ce qui suggère que la cellule pourrait réduire l'impact du manganèse sur les structures cellulaires clés et les processus métaboliques en le confinant dans des compartiments relativement sûrs.

L'analyse XANES a en outre montré que le manganèse incorporé dans la biomasse conserve son état d'oxydation Mn²⁺ et est principalement entouré de ligands contenant de l'oxygène dans une structure approximativement octaédrique. Des mesures complémentaires ont indiqué que les phosphates pourraient jouer un rôle important dans la liaison du manganèse dans les vacuoles et les parois cellulaires.

(a) Spectres XANES du Mn dans la biomasse de la microalgue acidophile PM01 et (b) analyse SR-FTIR des caractéristiques biomoléculaires (région d'empreinte digitale fournie)

Les résultats SR-FTIR ont quant à eux révélé des modifications au niveau du métabolisme cellulaire, notamment des changements dans les signaux liés aux glucides et aux phosphates, une réduction des réserves lipidiques, ainsi que des signes de légère oxydation. En combinant les observations microscopiques et les mesures de photosynthèse, l'étude conclut que la résistance de PM01 à des concentrations élevées de manganèse nécessite une dépense énergétique importante. La cellule répond au stress du manganèse en redistribuant ses réserves métaboliques, en élargissant son système vacuolaire et en augmentant légèrement l'efficacité de la photosynthèse.

Sur cette base, l'équipe de recherche propose que le mode de tolérance aux métaux de PM01 peut être résumé par l'expression « survie par faible rétention intracellulaire ». Autrement dit, cette microalgue ne repose pas sur une accumulation massive de manganèse, mais lie une partie du manganèse à la surface cellulaire, transfère une autre partie vers les vacuoles, et l'élimine probablement davantage par excrétion vacuolaire, maintenant ainsi le manganèse aussi éloigné que possible des mécanismes cellulaires sensibles.

Cette découverte a des implications pour l'application des microalgues dans les eaux acides polluées par le manganèse. Étant donné que l'accumulation de manganèse par PM01 est relativement faible, cette microalgue n'est pas nécessairement un candidat idéal pour la bioremédiation du manganèse ; cependant, sa tolérance remarquable indique que la culture de cette microalgue dans des eaux acides polluées par le manganèse pourrait être utilisée pour la production de biomasse et de biocarburants, tout en réduisant la dépendance aux ressources en eau douce. L'étude ouvre également des pistes pour explorer si d'autres microalgues acidophiles adoptent une stratégie similaire de « rejet » pour résister au stress métallique.