Polytech-CyanoSPO is a chemically rationalized BG11 derivative overcoming precipitation and toxicity for robust cyanobacterial growth

Dans les recoins tranquilles des lacs et des rivières d'eau douce, des plantes microscopiques appelées cyanobactéries travaillent sans relâche. Ces organismes unicellulaires sont les moteurs du monde aquatique, capturant la lumière du soleil pour créer de l'énergie et libérant de l'oxygène, tout comme les arbres sur terre. Cependant, certaines de ces minuscules plantes peuvent devenir dangereuses. Lorsque les conditions sont favorables, elles peuvent se multiplier rapidement, formant d'épaisses écumes vertes connues sous le nom de blooms algaux nocifs. Ces blooms peuvent étouffer la vie dans l'eau et libérer des poisons qui menacent les réserves d'eau potable, les animaux domestiques et les humains. Pour comprendre comment ces blooms commencent, comment ils produisent des toxines et comment les arrêter, les scientifiques doivent être capables de cultiver ces organismes en laboratoire. Ils ont besoin d'un environnement contrôlé où ils peuvent observer la division des cellules et étudier leur comportement sans le chaos d'un lac naturel.

Pendant des décennies, la recette standard pour nourrir ces cyanobactéries d'eau douce en laboratoire a été un mélange appelé BG11. C'est une formule bien connue, utilisée par les chercheurs du monde entier, contenant de l'eau, des sels et des nutriments essentiels comme le fer, l'azote et le phosphore. L'idée est simple : fournir la nourriture dont les cellules ont besoin, et elles pousseront. Mais pour un groupe spécifique de cyanobactéries toxiques, cette recette standard a totalement échoué. Lorsque les scientifiques ont tenté de cultiver trois espèces particulières — Planktothrix agardhii, Shackletoniella antarctica et Pseudanabaena catenata — dans ce mélange standard, les cellules ne se sont pas contentées de croître lentement ; elles ont cessé de croître complètement. Elles sont devenues pâles, leur machinerie interne s'est dégradée et les cultures sont mortes. Cet échec a créé un obstacle majeur. Sans un moyen de cultiver ces souches toxiques spécifiques en laboratoire, les chercheurs ne pouvaient pas étudier ce qui déclenche leur libération de poisons ou comment prédire quand un bloom pourrait survenir dans la nature.

Une équipe de chercheurs de l'Université Polytechnique de Saint-Pétersbourg Pierre le Grand a décidé d'enquêter sur la raison pour laquelle cette nourriture standard échouait et de construire une meilleure. Ils ont découvert que le problème n'était pas un manque de nourriture, mais plutôt la façon dont cette nourriture était délivrée. Dans le mélange standard, certains ingrédients réagissaient entre eux pour former des amas solides que les bactéries ne pouvaient pas manger, tandis que d'autres ingrédients créaient un environnement chimique qui était en fait toxique pour les cellules. Pour corriger cela, les scientifiques ont développé une nouvelle recette modifiée qu'ils ont nommée Polytech-CyanoSPO. Ce nouveau mélange n'a pas inventé de nouveaux nutriments ; au lieu de cela, il a remplacé quatre ingrédients spécifiques par différentes formes des mêmes nutriments que les bactéries peuvent réellement utiliser.

Le premier changement concernait le fer, un minéral vital nécessaire aux bactéries pour effectuer la photosynthèse. Dans l'ancienne recette, le fer était mélangé à un composé qui se décomposait rapidement à la lumière, provoquant la transformation du fer en une boue solide semblable à de la rouille qui sédimentait au fond du récipient. Les bactéries ne pouvaient pas l'atteindre. La nouvelle recette a remplacé cela par un sel de fer différent associé à une molécule spéciale qui agit comme une cage protectrice, maintenant le fer dans un état liquide et dissous afin que les cellules puissent le saisir facilement. Le deuxième changement concernait la source d'azote. L'ancienne recette utilisait une forme d'azote qui apportait avec elle du sodium, un sel qui peut stresser les cellules et perturber leur équilibre interne. La nouvelle recette a remplacé cela par une forme d'azote associée au potassium, un minéral dont les bactéries ont besoin pour fonctionner, transformant efficacement la nourriture en une source à la fois d'énergie et de minéraux essentiels sans le stress.

Le troisième ajustement s'attaquait au phosphore, un autre nutriment clé. Dans le mélange standard, la manière dont le phosphore était dissous le rendait susceptible de coller au calcium et au magnésium, formant des solides invisibles que les bactéries ne pouvaient pas absorber. La nouvelle recette utilisait une forme différente de phosphore qui maintenait l'eau légèrement acide, empêchant la formation de ces solides et gardant le phosphore disponible pour que les cellules puissent le consommer. Enfin, l'équipe a modifié la source d'un métal trace appelé cobalt, supprimant une forme chimique qui pouvait être nocive et la remplaçant par une version plus sûre et plus stable. Ces quatre changements étaient peu nombreux mais massifs dans leur effet.

Lorsque les chercheurs ont testé leur nouveau mélange contre l'ancien, les résultats ont été spectaculaires. Dans le mélange BG11 standard, les trois espèces toxiques survivaient à peine. Leur nombre n'augmentait pas, leur couleur verte s'estompait et elles ne produisaient presque pas d'oxygène, signe que leurs moteurs énergétiques s'étaient arrêtés. En revanche, les cultures cultivées dans le nouveau mélange Polytech-CyanoSPO ont explosé de vie. Sur une période de quatorze jours, le nombre de cellules dans le nouveau mélange a été dix à trente fois plus élevé que dans l'ancien. L'eau des nouvelles cultures est devenue si riche en oxygène qu'elle en contenait plus que l'air au-dessus d'elle ne pourrait normalement en dissoudre, un signe clair que les bactéries effectuaient la photosynthèse à pleine vitesse.

Les scientifiques ont également mesuré ce qui restait dans l'eau après l'expérience. Dans les cultures qui ont échoué, l'eau était encore pleine d'azote et de phosphore inutilisés, prouvant que les bactéries étaient trop malades pour les consommer. Dans les cultures réussies, l'eau était presque vide de ces nutriments, montrant que les bactéries saines avaient consommé presque tout ce qui était disponible. Le nouveau mélange a également maintenu l'eau à un niveau de pH stable et neutre, alors que l'ancien mélange est devenu trop alcalin, ce qui a davantage empoisonné les cellules. En résolvant ces énigmes chimiques, les chercheurs ont fourni un moyen fiable de cultiver ces souches toxiques difficiles. Cette avancée signifie que les scientifiques peuvent désormais étudier ces organismes en laboratoire avec confiance, ouvrant la voie à la compréhension de la manière dont ils produisent leurs toxines et de la manière de protéger les réserves d'eau contre les dangers des blooms algaux nocifs.