Après avoir révélé une diversité insoupçonnée de bactéries capables de fabriquer du carbonate de calcium à l’intérieur de leurs cellules, les scientifiques remontent aujourd’hui le fil de leur histoire. Une nouvelle étude montre que certaines bactéries consommant du méthane auraient acquis cette capacité auprès de cyanobactéries, grâce au transfert horizontal d’un gène entre des organismes très éloignés.
Il y a un peu plus d’un an, nous vous racontions l’histoire de ces étonnantes bactéries qui façonnent des cristaux avec du CO2, à l’intérieur de leurs cellules. Une équipe du BIAM et ses partenaires montraient alors que cette capacité était beaucoup plus répandue qu’on ne le pensait, au point que certaines bactéries y consacrent plus de la moitié de leur volume cellulaire.
Restait une question : comment des bactéries aussi différentes ont-elles acquis cette étonnante capacité ? Une nouvelle étude, coordonnée par Karim Benzerara (IMPMC) avec notamment Caroline Monteil, Dan Chevrier, et Christopher Lefèvre (BIAM), apporte aujourd’hui une pièce du puzzle.
De nouvelles bactéries rejoignent le club
Cette fois, les chercheurs se sont intéressés aux Methylococcaceae, une famille de bactéries aérobies méthanotrophes : elles utilisent le méthane comme source d’énergie. Deux espèces cultivables de cette famille, Methylococcus geothermalis et Methylococcus mesophilus, produisent, elles aussi, du carbonate de calcium amorphe à l’intérieur de leurs cellules. Microscopie électronique et spectroscopie confirment leur nature : chaque cellule en contient au moins une dizaine, d’un diamètre moyen d’environ 120 nanomètres.
Pourquoi fabriquer du carbonate de calcium ? Ces minéraux pourraient servir de réserve de carbone, aider la cellule à stabiliser son pH ou modifier sa flottabilité. À grande échelle, ce processus peut aussi influencer la chimie de l’environnement et certains cycles naturels.
Dans leur ADN, une piste inattendue
Les chercheurs ont recherché ce gène, ccyA, dans 858 génomes de l’ordre des Methylococcales. Il code une protéine appelée calcyanine, dont la fonction reste inconnue, mais qui sert de marqueur chez les cyanobactéries.
« On savait déjà que quelques génomes de Methylococcales portaient un gène proche de ccyA, mais on ignorait s’il s’agissait vraiment d’un marqueur fonctionnel chez ces bactéries. Nous avons pu le vérifier chez les souches testées : elles fabriquent bien ces minéraux. » Karim Benzerara
Le gène a été retrouvé dans 39 génomes sur les 112 de la famille Methylococcaceae recensés, soit environ 35 %. La plupart de ces génomes proviennent de métagénomes environnementaux, des fragments d’ADN collectés directement dans la nature, sans isoler l’organisme correspondant. Cinq souches cultivables en laboratoire portaient ce gène, et parmi elles, deux, Methylococcus geothermalis et Methylococcus mesophilus, ont pu être testées expérimentalement. Ce sont elles qui ont permis de confirmer, que la présence du gène s’accompagne bien de la fabrication de carbonate de calcium.
Plus surprenant encore : la protéine calcyanine des Methylococcaceae ressemble particulièrement à celle de Microcystis, un genre de cyanobactéries très éloigné sur l’arbre du vivant. Cette ressemblance est plus forte qu’avec n’importe quel autre type de cyanobactérie testé, et concerne à la fois la séquence et la structure prédite de la protéine.
« Après avoir montré que cette capacité était beaucoup plus répandue chez les bactéries qu’on ne le pensait, nous cherchons maintenant à comprendre son histoire évolutive. Cette nouvelle étude montre qu’elle a pu, dans certains groupes, se transmettre d’une lignée bactérienne à une autre par transfert horizontal de gène. » Caroline Monteil
Quand le cycle du méthane rencontre celui du carbonate
Cette découverte relie deux processus étudiés jusqu’ici séparément. Les Methylococcaceae concernées consomment du méthane, dont l’oxydation produit du CO2, qui devrait plutôt dissoudre le carbonate de calcium environnant que le faire précipiter. Pour qu’il se forme malgré tout à l’intérieur des cellules, un mécanisme supplémentaire, encore non identifié, doit intervenir. Les chercheurs ne savent pas non plus quelle proportion du carbone issu du méthane serait ainsi stockée : il serait donc prématuré de voir dans ces bactéries un nouveau puits de carbone. Leur découverte révèle en tout cas une connexion jusqu’ici méconnue entre cycle du méthane et formation biologique de carbonate de calcium.
Un gène qui aurait voyagé d’une bactérie à l’autre
Chez les microorganismes, un gène peut parfois être transmis directement d’un organisme à un autre, sans lien de parenté : c’est un transfert horizontal. Les analyses suggèrent qu’un ancêtre des Methylococcaceae aurait ainsi acquis ccyA auprès d’un ancêtre de la cyanobactérie Microcystis. Le gène aurait ensuite été transmis à différentes lignées, avant d’être perdu chez certaines d’entre elles. Le transfert lui-même n’a pas été observé ; c’est le scénario qui explique le plus simplement les ressemblances constatées.
Un tel échange suppose un contact étroit et prolongé entre les deux organismes. Les chercheurs proposent qu’il ait pu se produire dans un lac stratifié, où cyanobactéries et bactéries méthanotrophes vivent en association étroite près de la limite entre eaux oxygénées et eaux profondes riches en méthane.
Cryotomographie aux rayons X de cellules de Methylococcus geothermalis. A) Carte d’absorption des rayons X : plus la couleur tire vers le rouge, plus la concentration en calcium est forte. B) Reconstruction en volume des mêmes cellules ; les granules riches en calcium apparaissent en rose. Échelle : 500 nm. © Benzerara et al., 2026.
Une histoire scientifique qui se construit pas à pas
La précédente étude du BIAM avait révélé la diversité des bactéries capables de fabriquer ce type de minéral, sans en expliquer l’origine. Le nouvel article montre qu’une famille supplémentaire, les Methylococcaceae, possède bien ccyA, acquis par transfert depuis les cyanobactéries. La fonction précise du gène, les mécanismes de transport du calcium et l’avantage biologique de ces minéraux restent cependant à élucider. Après avoir mesuré combien de bactéries savent fabriquer ces minéraux, les chercheurs commencent donc à comprendre comment cette capacité a pu circuler au fil de l’évolution.
Publication scientifique
Karim Benzerara et al. Intracellular Amorphous Calcium Carbonate Biomineralization in Methanotrophic Gammaproteobacteria Was Acquired by Horizontal Gene Transfer From Cyanobacteria. Environmental Microbiology, 2026, 28:e70270. DOI : 10.1111/1462-2920.70270.
Institutions impliquées
Sorbonne Université, Muséum national d’Histoire naturelle et CNRS, IMPMC ; Aix-Marseille Université, CEA, CNRS, BIAM ; CNRS, Université Paris-Saclay et AgroParisTech, Laboratoire Écologie Société et Évolution ; Institut Pasteur ; ALBA Synchrotron ; Synchrotron SOLEIL.