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Fait marquant

Architectures tridimensionnelles du phytoplancton au service du métabolisme énergétique


Une étude menée par des chercheurs de notre laboratoire a permis la reconstruction 3D de l'architecture cellulaire d’eucaryotes représentatifs des principales familles du phytoplancton et montre que les réponses physiologiques du phytoplancton reposent sur des caractéristiques spécifiques de leur principaux organites (plastes et mitochondries), ouvrant des perspectives d'exploitation dans le domaine de la production de biomasse algale en amont d'applications en biotechnologies.

Publié le 20 avril 2021
Le phytoplancton joue un rôle essentiel dans le maintien de la vie sur Terre. En transformant le CO2, la lumière du soleil et les nutriments en biomasse et en oxygène, les organismes unicellulaires qui composent le phytoplancton sont responsables d'environ 50 % de la production primaire. Ils contribuent aux réseaux alimentaires et à la pompe biologique, un élément majeur du cycle marin du carbone qui permet la fixation du CO2 dans les océans par sédimentation des microalgues. Comprendre les bases cellulaires de la réponse du phytoplancton face aux changements environnementaux pourrait inspirer des développements prometteurs en biotechnologie.

Jusqu'à présent, les caractéristiques morphologiques du phytoplancton étaient principalement visualisées par des études de microscopie optique, de microscopie confocale tridimensionnelle (3D) et de microscopie électronique bidimensionnelle (2D). Cependant, ces études fournissent des images présentant une résolution insuffisante pour révéler l'ultrastructure cellulaire, et la microscopie électronique 2D ne peut pas fournir une description volumétrique complète de ces cellules et de leurs organites.
Une collaboration entre plusieurs laboratoires de notre institut nous a permis la reconstruction 3D de l'architecture cellulaire d’eucaryotes représentatifs des principales familles du phytoplancton (Figure), grâce à la microscopie électronique à balayage à faisceau d'ions focalisé (FIB-SEM) [1]. Les images images obtenues grâce au FIB-SEM constituent une ressource unique qui nous a permis d'identifier les propriétés des architectures subcellulaires qui ont été maintenues au cours de l'évolution du plancton. Il s’agit d’une part de la conservation du volume occupé par les principaux organites d’une part, et d’autre part, de la préservation des rapports volumétriques et de la proximité entre les organites producteurs d’énergie que sont la mitochondrie et le plaste.
En révélant comment une interaction intime entre structures cellulaires et réponses physiologiques permet aux cellules de s'adapter à diverses conditions environnementales, ces résultats permettent d'éclairer les bases cellulaires de la flexibilité du métabolisme énergétique du phytoplancton. Grâce à la conjonction de nombreuses expertises, nous avons montré l’existence d'un lien étroit entre l'interaction mitochondrie-plastes et la capacité de production de biomasse algale en mixotrophie (i.e. la synergie entre respiration et photosynthèse) chez la microalgue extrêmophile Galdieria sulphuraria [2], la microalgue oléagineuse Microchloropsis gaditana [1, 4], et la diatomée modèle Phaeodactylum tricornutum [3] ont pu être caractérisés.

Cette étude montre que les réponses physiologiques du phytoplancton reposent sur des caractéristiques spécifiques de leur principaux organites (plastes et mitochondries), ouvrant des perspectives d'exploitation dans le domaine de la production de biomasse algale en amont d'applications en biotechnologies.


Architecture cellulaire interne des cellules de phytoplancton obtenue à partir d'images FIB-SEM de cellules entières.
Les structures mettent en évidence les principaux compartiments subcellulaires : les plastes (vert), les mitochondries (rouge), le noyau (bleu), les autres compartiments (gris), et permettent d’en calculer le volume.

La production primaire est la vitesse à laquelle l'énergie est convertie en substances organiques par les organismes photosynthétiques (photoautotrophes) terrestres et aquatiques.
Ces expertises impliquent la cryo-tomographie électronique réalisée dans notre laboratoire et à l’IBS, la photophysiologie, la lipidomique et l’ingénierie métabolique effectuées dans notre laboratoire, la protéomique au laboratoire Biosanté de notre institut, la métabolomique à l’Université Heinrich Heine de Düsseldorf en Allemagne et à l’Université de Liège en Belgique, et enfin la modélisation du métabolisme à l’Université Oxford Brookes au Royaume Uni. 

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