Les microalgues clés productrices de biocarburants que l’on croyait être une seule espèce sont en réalité trois

Lorsqu’une pandémie mondiale a forcé l’ancien étudiant diplômé Devon Boland, Ph. D., à quitter le laboratoire et à travailler sur ordinateur, il a découvert un monde de différences caché dans l’espèce de Botryoccocus braunii, étudiée depuis longtemps, et a découvert qu’il ne s’agissait pas d’une seule espèce, mais de trois.

Botryococcus braunii a été découvert pour la première fois au milieu des années 1800. Techniquement parlant, c’est une plante, elle subit la photosynthèse et, ce qui est le plus intéressant pour les chercheurs, produit de grandes quantités d’hydrocarbures qui peuvent être utilisés comme source renouvelable de carburant.

On pensait jusqu’à présent qu’il s’agissait d’une seule espèce composée de trois races : A, B et L, qui produisent chacune des types d’huiles légèrement différents. Mais après avoir découvert une différence génétique spectaculaire de 20 à 30 % entre chaque race, une équipe de chercheurs de Texas A&M AgriLife a proposé une nouvelle classification, réalisant ainsi le rêve de tout biologiste de nommer les espèces.

« En tant qu’étudiant diplômé, vous lisez des articles qui disent tous la même chose, à savoir qu’il s’agit d’une seule espèce avec trois races chimiques, et vous l’intégrez », a déclaré Boland, premier auteur de l’étude montrant les comparaisons génomiques. « Vous commencez à penser que cela doit être vrai. Personne n’a trouvé le contraire, et tous ces scientifiques ont eu des carrières bien plus longues que moi – je ne suis qu’un enfant.

« Mais j’ai fini par proposer des noms pour une espèce qui ont été acceptés pour publication, ce que je n’aurais jamais pensé voir arriver. »

Moitié nécessité, moitié circonstance

Avant de venir à Texas A&M, Boland a consacré ses recherches de premier cycle à des recherches en biochimie « essentielles » dans des domaines tels que l’ingénierie des protéines. Sa thèse de fin d’études devait porter sur le processus de production utilisé par Botryococcus braunii pour synthétiser ses hydrocarbures uniques.

Mais lorsque la pandémie de COVID-19 a frappé, Boland s’inquiétait de perdre du temps sur sa thèse et de la possibilité que cela retarde l’obtention de son diplôme.

En réponse, Tim Devarenne, Ph.D., directeur adjoint des programmes de premier cycle et professeur associé au département de biochimie et de biophysique du Texas A&M College of Agriculture and Life Sciences, a suggéré à Boland de profiter de l’occasion pour se plonger dans les données génétiques et la bioinformatique.

« Avoir le génome de l’organisme qui vous intéresse cartographié est toujours idéal dans la recherche, car cela vous permet de trouver plus facilement les gènes et de travailler à déterminer leurs fonctions », a déclaré Devarenne.

Un autre ancien étudiant diplômé du laboratoire, Daniel Browne, avait effectué un séquençage et assemblé le génome de la race B. Au cours d’une des réunions hebdomadaires de Devarenne et Boland, Devarenne a proposé qu’ils essaient de faire la même chose avec les races A et L.

« Cela a eu un double avantage », a déclaré Boland. « Nous avons pu faire quelque chose qui n’avait jamais été fait auparavant, et cela pourrait nous aider à mieux comprendre la biosynthèse des hydrocarbures. »

Bien que les races soient pratiquement impossibles à distinguer au microscope, Boland a déclaré qu’il y avait eu un débat sur la question de savoir s’il s’agissait d’espèces différentes. Ils étaient intéressés de savoir si une étude génomique pourrait apporter des éclaircissements sur la question.

Outre Devarenne, Boland et Browne, l’équipe de recherche comprenait Ivette Cornejo Corona, Ph.D., chercheuse postdoctorale dans le laboratoire de Devarenne; John Mullet, Ph.D., autre chercheur et professeur au Département de biochimie et de biophysique; Rebecca Murphy, Ph.D., ancienne étudiante diplômée du laboratoire de Mullet; et un collaborateur de longue date sur les études sur Botryococcus, Shigeru Okada, Ph.D., professeur à l’Université de Tokyo au Japon.

Analyse génétique

Même si Botryococcus est couramment étudié pour sa production d’hydrocarbures, le séquençage de son génome s’est avéré difficile.

Boland, aujourd’hui chercheur adjoint au Texas A&M Institute for Genome Sciences and Society, a déclaré que le milieu épais et huileux dans lequel vivent les cellules rend l’extraction et l’isolement de l’ADN difficile.

Néanmoins, l’équipe était déterminée à analyser les génomes pour voir la similitude entre les gènes et les protéines impliqués dans les processus de production de biocarburant de chaque race.

Mais après avoir reconstitué les génomes et utilisé les superordinateurs du Centre de calcul de recherche haute performance de Texas A&M pour effectuer des comparaisons génomiques, Boland a déclaré qu’il était devenu clair que ces organismes n’étaient pas de la même espèce.

« Partout où nous regardions, les choses étaient différentes », a-t-il déclaré.

Au final, les chercheurs ont déclaré qu’environ 1 gène sur 5 était unique à chacune des races de Botryococcus. Pour mettre cette différence de 20 % en perspective, la différence génétique entre les humains et les chimpanzés, notre plus proche parent évolutif, est inférieure à 2 %.

Après quelques validations supplémentaires, Boland et Devarenne ont entrepris de reclasser les races de Botryococcus. Boland a déclaré que l’équipe a passé des mois à travailler sur différents noms.

Ils ont conservé la race B avec son nom d’origine, Botryococcus braunii, pour préserver son histoire et ont renommé la race A en Botryococcus alkenealis et la race L en Botryococcus lycopadienor, ce qui signifie le type d’hydrocarbures que chacune produit.

Qu’est-ce qui fait une espèce

Ces derniers temps, les biologistes ont accordé plus d’importance aux gènes et aux génomes lorsqu’il s’agit de classer les organismes.

Mais même avec toutes les preuves permettant de considérer ces algues Botryococcus comme des espèces distinctes, Devarenne a déclaré que ce qui fait réellement une espèce est l’acceptation générale par la communauté scientifique.

Après avoir publié leur étude dans PLOS ONEDevarenne a partagé les conclusions de l’équipe avec plus de 100 autres chercheurs qui étudient les organismes dans leurs propres laboratoires.

« La manière dont nous définissons les différentes espèces ne changera peut-être pas grand-chose à la manière dont ces organismes sont utilisés dans la recherche », a-t-il déclaré. « Mais il est important pour la compréhension scientifique de comprendre la manière dont nous envisageons les relations entre ces organismes et avec toutes les autres espèces. »

Boland a déclaré que lui et Devarenne avaient publié leurs travaux dans une revue en libre accès afin que d’autres scientifiques puissent s’appuyer sur leurs travaux. Les génomes complets des espèces sont également disponibles sur le site Web du National Center for Biotechnology Information.

« Il était important pour nous que les informations soient accessibles au public dès qu’elles étaient prêtes à être publiées », a-t-il déclaré. « La science est une affaire de communauté. L’objectif ultime est toujours d’approfondir nos connaissances collectives, et je pense que c’est ce que nous avons accompli ici. »