Comment les cyanobactéries comptent-elles jusqu’à dix ?

Les cyanobactéries sont les seules bactéries capables de puiser directement leur énergie du soleil, de la même manière que les plantes, en réalisant la photosynthèse. De plus, certaines souches sont capables de fixer l’azote présent dans l'atmosphère: ils peuvent extraire ce gaz et le transformer en azote organique constituant de base de nombreux composés nécessaires à la vie. Cependant, les deux processus ne peuvent pas se produire dans une cellule donnée en même temps. Une souche de cyanobactéries appelée Nostoc PCC 7120 est organisée en longs filaments de cellules interconnectées. Dans certaines conditions, une cellule sur dix arrête d’effectuer la photosynthèse, et commence à fixer l'azote atmosphérique à la place. Comment les bactéries peuvent-elles compter exactement jusqu’à dix et s’organiser selon un schéma aussi précis?

 Les cellules de Nostoc peuvent communiquer et établir des patrons d’expression en échangeant des signaux moléculaires qui induisent ou inhibent certains programmes cellulaires. Ainsi, une protéine appelée HetR active le programme génétique qui permet aux cyanobactéries de fixer l'azote; d'autre part, un signal connu sous le nom de PatS se lie à HetR et l'inhibe. Les cellules qui commencent à se spécialiser dans la fixation de l'azote produisent à la fois HetR et PatS, ce dernier diffusant dans les cellules environnantes et les empêchant de fixer l'azote. Cependant, on ignorait comment la cellule fixatrice d'azote pouvait ignorer son propre signal PatS et garder son signal HetR actif. Les résultats montrent que HetL, une autre protéine produite par la future cellule fixatrice d'azote, ne peut pas diffuser d'une cellule à l'autre, et qu'il se lie à HetR au même endroit que PatS. Lorsque PatS et HetL sont tous deux présents, ils se font concurrence pour interagir avec HetR et l’équilibre est en faveur de HetL, ce qui le protège de l’inhibition par PatS et permet ainsi à la différenciation d’avoir lieu.

Comprendre comment les cyanobactéries fixent l'azote pourrait aider à développer de nouveaux moyens de fertilisation. Plus généralement, disséquer comment ces organismes simples peuvent créer des patrons d’expression réguliers pourrait aider à comprendre comment ces motifs ont émergé chez des organismes plus complexes.

Pour en savoir plus:

HetL, HetR and PatS form a reaction-diffusion system to control pattern formation in the cyanobacterium nostoc PCC 7120.
Xu X, Risoul V, Byrne D, Champ S, Douzi B, Latifi A.Elife. 2020 Aug 7;9:e59190. doi: 10.7554/eLife.59190.