Lithoautotrophe

Définition

Un lithoautotrophe est un micro-organisme capable de générer l'énergie dont il a besoin à partir de composés inorganiques réduits d'origine minérale. Les organismes lithoautotrophes combinent un métabolisme lithotrophe pour obtenir un pouvoir réducteur avec l'utilisation d'une source de carbone autotrophe.

Comparaison entre lithoautotrophie et hétérotrophie :

Principaux modes de croissance de Ralstonia eutropha H16. Représentation schématique illustrant les aspects clés du métabolisme lithoautotrophe et hétérotrophe. Les cercles jaunes représentent les processus du métabolisme central, tandis que le cercle jaune/vert représente le cycle de Calvin-Benson-Bassham. Les carrés rouges symbolisent les deux hydrogénases économes en énergie. Les cercles gris indiquent les granules de stockage de polyhydroxyalcanoate (PHA).

Explications

Les organismes lithoautotrophes sont exclusivement microscopiques, la macrofaune n'est pas capable de réaliser ce type d'activité métabolique. La plupart de ces organismes appartiennent au domaine des bactéries ou au domaine des archées. De plus, la plupart des organismes lithoautotrophes (littéralement "mangeurs de roche") se caractérisent en étant extrêmophiles.

L'extrême spécialisation évolutive à laquelle ces micro-organismes ont été soumis les a contraints à occuper des niches écologiques quasi exclusives avec peu de compétition intraspécifique et oblige chaque espèce à se spécialiser uniquement sur un seul type de molécule pour l'obtention du carbone.

Les organismes lithoautotrophes peuvent aussi combiner un autre mode trophique : les chimiolithoautotrophes (+ énergie chimique) et les photolithoautotrophes (+ énergie lumineuse).

Lithoautotrophie

La lithoautotrophie est un mode trophique spécialisé dans l'exploitation des composés minéraux issu de la roche. Seuls des micro-organismes (bactéries et archées) pratiquent cette autotrophie.

Archées

Les membres thermoacidophiles et lithoautotrophes des archées présentant des niveaux élevés de résistance aux métaux occupent ces environnements acides et riches en métaux et sont utilisés dans les processus de biomine pour extraire les métaux de base et précieux en les convertissant en formes solubles.

L'une de ces espèces archées est Metallosphaera sedula (sphères occupées mobilisant des métaux), un lithoautotrophe isolé à l'origine d'un champ solfatarique en Italie. Elle pousse de manière optimale sur une plage de pH de 2,0 à 4,5 à 70 à 75 °C, et contrairement à de nombreux autres membres de la famille Sulfolobaceae, elle peut croître de manière autotrophe en utilisant un 3-hydroxypropionate modifié dans un cycle pour fixer le carbone inorganique.

Réduction électrochimique microbienne du CO2

La réduction électrochimique microbienne du CO₂ utilise des biocatalyseurs de cellules entières, et la fixation biologique du CO₂ est alimentée par l'énergie électrique. Les biocatalyseurs de cellules entières comprennent principalement des méthanogènes, des acétogènes, des bactéries oxydant les métaux, des souches réductrices de sulfate et des lithoautotrophes aérobies. Parmi ces biocatalyseurs, les méthanogènes et acétogènes purs ont été évalués dans le MES pour leur capacité à réduire le CO₂ en méthane et en acétate, respectivement. Plusieurs acétogènes, tels que Clostridium autoethanogenum, Clostridium ljungdahlii et Clostridium ragsdalei, peuvent former naturellement de l'éthanol à partir de CO₂ et H2.

Des outils moléculaires peuvent également être utilisés pour améliorer la sélectivité de la production d'éthanol avec Clostridium autoethanogenum. Des tests de co-culture ont indiqué que la souche sulfato-réductrice IS4 (Desulfopila corrodens) accepte l'électron de la cathode et génère de l'hydrogène comme intermédiaire, tandis que Methanococcus maripaludis et Acetobacterium woodii consomment l'hydrogène formé pour produire respectivement du méthane et de l'acétate.

Les lithoautotrophes aérobies tels que Cupriavidus necator (anciennement connu sous le nom de Ralstonia eutropha) présentent un potentiel en tant que biocatalyseurs pour la réduction électrochimique microbienne du CO₂ en raison de leur croissance rapide, de leur accumulation naturelle de polyhydroxybutyrate, de la disponibilité d'outils génétiques et de leur résistance à l'oxygène. Dans des conditions électroautotrophes, C. necator peut oxyder le H2 ou le formiate produit électrochimiquement in situ pour fixer le CO₂ via le cycle de Calvin.

L'isobutanol et le 3-méthyl-1-butanol ont subi une bioélectrosynthèse à partir du CO₂ en utilisant du C. necator modifié, avec du formiate comme intermédiaire. Le spectre des produits issus de la réduction électrochimique microbienne du CO₂ avec C. necator devrait s'élargir car il a été prouvé que le génie génétique des voies de production hétérologues permet la production efficace de composés, tels que les alcools à chaîne ramifiée, les alcanes et le 3-méthyl-1-butanol. Le système de biotraitement en plusieurs étapes a récemment été proposé pour la réduction électrochimique microbienne du CO₂; ainsi, des micro-organismes hétérotrophes, tels que des levures et des champignons, pourraient également être adoptés pour valoriser des intermédiaires organiques.

Exemple avec la bactérie Cupriavidus necator H16

La bactérie lithoautotrophe oxydante H₂ Cupriavidus necator H16 est un organisme métaboliquement polyvalent capable de subsister, en l'absence de substrats de croissance organiques, avec H₂ et CO₂ comme seules sources d'énergie et de carbone. Cupriavidus necator H16 a suscité un intérêt biotechnologique pour la première fois il y a près de 50 ans avec la prise de conscience que la capacité de l'organisme à produire et à stocker de grandes quantités de poly[R-(-)-3-hydroxybutyrate] et d'autres polyesters pouvait être exploitée pour fabriquer des plastiques biodégradables.

La séquence complète du génome des deux chromosomes de C. necator H16 a été enregistrée. Ensembles, le chromosome 1 (4 052 032 paires de bases (pb)) et le chromosome 2 (2 912 490 pb) codent pour 6 116 gènes putatifs. L'analyse de la séquence du génome offre la base génétique pour exploiter le potentiel biotechnologique de cet organisme et donne un aperçu de sa remarquable polyvalence métabolique.

En rapport avec "lithoautotrophe"

• autotrophie

  

  L'autotrophie est le mode trophique d'un organisme capable de synthétiser de la matière organique à partir de matière minérale.

• autotrophe

  

  Un autotrophe est un organisme qui synthétise de la matière organique à partir de matière inorganique, en utilisant les minéraux, de l'énergie lumineuse...

• chimioautotrophe

  

  Les chimioautotrophes sont des organismes qui produisent des composés organiques sans utiliser l'énergie de la lumière, sans photosynthèse, et réalisent...

• photoautotrophe

  

  Un organisme photoautotrophe utilise la lumière comme source d'énergie avec la photosynthèse, et le dioxyde de carbone comme source de carbone.