Comment la plupart des organismes vivants couplent leur métabolisme à la respiration

La respiration est au cœur de la conversion d’énergie chez la plupart des organismes vivants. Elle repose sur des chaînes de transfert d’électrons situées dans la membrane, au sein desquelles de petites molécules appelées quinones assurent un rôle de navettes électrochimiques. Parmi les molécules qui alimentent ces chaînes respiratoires, le NADH occupe une place centrale. Produit par de nombreuses réactions du métabolisme, il doit être réoxydé pour que la cellule continue à fonctionner. Cette étape est assurée par des NADH déshydrogénases. Les enzymes dites de type II, ou NDH-II, sont largement répandues dans le monde vivant. Elles sont généralement décrites comme des flavoprotéines simples, capables de s’associer directement à la membrane pour accéder aux quinones. Toutefois, cette vision ne rend pas compte de toute leur diversité.

En étudiant la bactérie du sol Bacillus subtilis, les scientifiques, dans un article publié dans la revue Nature Communications, ont toutefois découvert une organisation beaucoup plus élaborée. Grâce à une combinaison d’approches de génomique comparative, de génétique, de biochimie et de cryo-microscopie électronique, ils ont montré que l’enzyme Ndh s’associe à une protéine partenaire nommée YjlC, appartenant à la famille des protéines HMP (Helical Membrane Plug-in).

Un tube hydrophobe qui prolonge la membrane

Les deux protéines sont indispensables à l’activité respiratoire. Quatre sous-unités de YjlC s’assemblent pour former un tube hydrophobe, sur lequel viennent se fixer quatre enzymes Ndh. Ces structures peuvent ensuite s’empiler en fibres pouvant atteindre près de 100 nanomètres de longueur.

Rempli de lipides et de quinones, ce tube fonctionne comme une extension de la membrane. Il fournit à l’enzyme un accès organisé au pool de quinones, tout en réassignant la fonction du domaine carboxy-terminal de l’enzyme : au lieu de s’ancrer directement dans la bicouche, celui-ci sert ici de point d’attache au tube formé par YjlC.

Une nouvelle famille d’assemblages respiratoires

Les analyses évolutives indiquent que ce système est propre aux Bacillales. Il résulterait du recrutement au cours de l’évolution, d’un module HMP ancestral déjà impliqué dans d’autres complexes respiratoires.

Ces résultats conduisent ainsi à revoir l’image classique des NDH-II, longtemps considérées comme des enzymes isolées associées à la membrane. Elles apparaissent désormais, au moins dans certaines lignées bactériennes, comme des composants de véritables assemblages supramoléculaires spécialisés dans la gestion des flux d’électrons.
Au-delà de l’éclairage apporté sur le fonctionnement du métabolisme énergétique bactérien, cette découverte élargit le répertoire des architectures biologiques utilisées pour organiser les chaînes respiratoires. Elle suggère également que d’autres assemblages encore inconnus pourraient exister et offre de nouvelles pistes pour concevoir des systèmes enzymatiques organisés dans des applications biotechnologiques.

En résumé, cette étude met en lumière une stratégie originale d’organisation d’une NADH déshydrogénase bactérienne autour d’un tunnel lipidique, au cœur de la respiration et de l’adaptation énergétique des micro-organismes.