Étude de membranes bactériennes modèles pour accélérer la décomposition des toxines
Dans les années 1940, plusieurs molécules organiques hautement chlorées ont été introduites dans l'agriculture américaine puis européenne en tant que pesticides puissants et polyvalents. En effet, lors des premières années de leur application, elles ont permis d'augmenter fortement les rendements par hectare et d'éliminer plusieurs nuisibles. Dans les années d'après-guerre, personne ou presque ne pensait aux conséquences à long terme et potentiellement néfastes de leur utilisation. La lanceuse d'alerte a été la biologiste marine américaine Rachel Carson, qui a publié en 1962 le livre alarmant « Silent Spring » (Printemps silencieux) consacré aux conséquences catastrophiques de l'application des composés organiques polychlorés (PCO). Ses travaux ont été à l'origine des mouvements écologistes, de la création de l'Agence pour la protection de l'environnement (EPA) aux États-Unis par le président Nixon, ainsi que de plusieurs éléments de législation. Les PCO ont été interdits dans la plupart des pays autour de l’an 2000, grâce également à la Convention internationale de Stockholm sur les polluants organiques persistants.
Le problème est que les PCO sont bioaccumulables et se dégradent très lentement, c'est pourquoi de grandes quantités de PCO accumulées dans les sols constitueront une menace pour les êtres humains et l'environnement pendant encore de nombreuses décennies. La seule option pour éliminer les PCO des sols est la bioremédiation, c'est-à-dire l'introduction dans le sol d'espèces bactériennes adéquates capables de dégrader ces PCO.
Mais, les PCO étant hautement hydrophobes, ils peuvent s'accumuler facilement dans les membranes cellulaires des bactéries utilisées et tuer ces dernières. Par conséquent, la membrane doit avoir une composition phospholipidique spécifique qui va permettre aux bactéries de résister et de demeurer efficaces pour dégrader les PCO.
En vue de trouver de telles compositions membranaires et de faire la lumière sur les interactions entre les PCO et ces membranes bactériennes, les chercheurs ont utilisé, comme modèles polyvalents, des monocouches de Langmuir créées à partir de mélanges de phospholipides. Les couches de Langmuir sont produites en déposant à la surface de l’eau des molécules possédant un caractère à la fois hydrophile et hydrophobe, qui vont alors former des couches mono-moléculaires à l'interface air/eau. L'utilisation de phospholipides pour former des monocouches de Langmuir permet d'imiter un feuillet de la membrane des cellules vivantes et de tester les effets des PCO les plus toxiques et de leurs métabolites sur la structure membranaire.
Figure 1 : Ligne du haut – formules structurales des PCO étudiées : endosulfane (EDS), aldrine (ALD), endrine (END), mirex (MX) et acide chlorendique (CHA) ; A) Principe général de l'expérience, B) Courbes isothermes pression de surface vs. aire par molécules, C) Images de microscopie à l'angle de Brewster sélectionnées, D) Spectres PM-IRRAS
Les chercheurs ont préparé des membranes modèles de bactéries du sol Gram-négatif et Gram-positif en mélangeant des quantités adéquates de phospholipides : cardiolipine (CL), phosphatidyléthanolamine (PE) et phosphatidylglycérol (PG). Quatre des PCO les plus répandus dans l'environnement ainsi que leurs métabolites ont été introduits dans les membranes modèles, et les effets de leur incorporation ont été suivis.
Dans leurs études, les auteurs ont combiné des techniques microscopiques, spectroscopiques et synchrotron pour obtenir des informations approfondies sur les systèmes étudiés. L'application de la méthode de diffraction de rayons X en incidence rasante accessible sur la ligne de lumière SIRIUS de SOLEIL a été déterminante. Les phospholipides des membranes modèles étaient organisés de façon périodique en un réseau 2D, et les effets des PCO sur ce mode d'empilement ont été corrélés avec leur toxicité.
Figure 2 : Sélection de résultats de diffraction de rayons X en incidence rasante. Ligne du haut : cartes d'intensité I(Qxy,Qz). Ligne du bas : spectres intégres en Qz I(Qxy) et coupes à Qxy constant I(Qz) (tiges de Bragg) obtenus à partir des cartes d'intensité ci-dessus.
Ces études ont prouvé que la présence de PCO à l'interface air/eau avait un effet bien plus important sur les modèles de membranes de bactéries Gram-négatif que sur les modèles Gram-positif. Ceci prouve le rôle protecteur du cardiolipine, abondant dans les membranes des bactéries Gram-positif.
Par conséquent, pour la bioremédiation des sols pollués par les PCO, il sera important d’utiliser des espèces de bactéries à Gram-positif possédant des membranes riches en cardiolipine.