Les bactéries montrent leur métaux: un chemin évolutif vers la survie

« Les bactéries montrent leur métaux: un chemin évolutif vers la survie », source Université de Newcastle.

Une étude de deux protéines étroitement apparentées d'une bactérie pathogène a illustré pour la première fois comment l'évolution peut façonner l'utilisation des métaux essentiels par les enzymes.

Notre travail a de larges implications pour comprendre comment les enzymes utilisent les métaux essentiels pour la catalyse, et comment cette utilisation des métaux change au cours du temps évolutif, a dit le Dr Kevin Waldron, Université de Newcastle.

L’étude a été menée par une équipe internationale dirigée par le Dr Kevin Waldron de l'Université de Newcastle et le Dr Thomas Kehl-Fie de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. Leurs travaux sont publiés dans Nature Communications.

Près de la moitié de toutes les enzymes ont besoin d'un cofacteur métallique essentiel pour la catalyse, appelé métalloenzymes. L'abondance des métalloenzymes rend la compréhension des principes régissant les interactions métal-protéine pertinente pour presque tous les aspects de la biologie, de la médecine et de la biotechnologie.

Les métalloenzymes sont souvent très spécifiques pour leur cofacteur d'ions métalliques apparentés, présentant une activité catalytique réduite lorsqu'elles sont liées au mauvais métal in vitro et in vivo. Cependant, les caractéristiques qui dictent quel métal est utilisé par les métalloenzymes sont mal comprises. Cela limite notre capacité à manipuler des métalloenzymes pour produire de nouvelles enzymes synthétiques qui pourraient effectuer des réactions chimiques utiles pour des applications biotechnologiques ou pour développer des inhibiteurs de métalloenzymes pour des applications industrielles et médicales, y compris comme médicaments antimicrobiens. La famille omniprésente superoxyde dismutase (SOD) au fer/manganèse illustre ce déficit de connaissances, car le métal spécifique utilisé par un membre de la famille ne peut pas être prédit in silico.

« Notre travail a de larges implications pour comprendre comment les enzymes utilisent les métaux essentiels pour la catalyse, et comment cette utilisation des métaux change au cours du temps évolutif », a déclaré le Dr Waldron.

Le groupe de chercheurs de l'Université de Newcastle, Royaume-Uni, de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, États-Unis et de l'Université Paris-Saclay, France, avait précédemment démontré qu'une paire inhabituelle de métalloenzymes SOD dans la bactérie pathogène Staphylococcus aureus, y compris S. aureus résistant à la méthicilline (SARM), jouent un rôle important pendant l'infection. Ils ont découvert que ces métalloenzymes SOD défendent différemment la bactérie contre les attaques du système immunitaire.

Une SOD, qui est conservée dans les staphylocoques, utilise exclusivement du manganèse pour effectuer cette réaction de détoxication, tandis que la deuxième SOD de S. aureus est ‘cambialistique’, ce qui signifie qu'elle peut fonctionner aussi bien avec un cofacteur manganèse ou fer. Cette seconde SOD est unique au groupe S. aureus, qui sont plus pathogènes que les autres bactéries dépourvus de cette métalloenzyme.

Deux acides aminés clés

Dans cette étude, l'analyse biochimique, structurale et biophysique de ces SODs avec différentes spécificités métalliques a identifié deux acides aminés clés dans la structure de la SOD qui modifient la spécificité des métaux. Ces résidus n'entrent pas en contact direct avec les ligands de coordination des métaux mais contrôlent indirectement les propriétés redox du métal, démontrant que des changements architecturaux subtils provoqués par des mutations en acides aminés près du cofacteur peuvent altérer considérablement l'utilisation des métaux. Une analyse bioinformatique réalisée par l'équipe a démontré une relation évolutive très étroite entre ces deux SODs, suggérant qu'elles ont divergé récemment.

« Des études antérieures suggèrent qu'avec le temps, une protéine métal-dépendante peut passer d'un métal à un autre - une enzyme qui utilise le fer dans un organisme peut avoir évolué pour utiliser le cuivre dans un autre. Cependant, notre étude est la première à montrer comment l'évolution peut réaliser ce changement par des changements subtils dans la structure de l'enzyme », a déclaré le Dr Waldron.

S. aureus s’affame de manganèse au fil de l'infection, ce qui implique que cela pourrait avoir poussé son enzyme manganèse important à passer à l'utilisation d'un ion métallique alternatif lorsqu'il a développé la capacité de provoquer une infection.

« L'importance différentielle et la relation évolutive étroite entre les deux SODs staphylococciques, combinées à la capacité de manipuler le métal qu'elles utilisent, nous ont permis de déterminer si les contraintes au sein de l'hôte, comme la famine métallique, peuvent conduire à l'évolution des métalloenzymes », a dit le Dr Kehl -Fie.

L'introduction des mutations identifiées par l'équipe dans les cellules vivantes de S. aureus, qui diminuent la capacité de la SOD cambialistique à utiliser le fer, a réduit la capacité de la bactérie à résister au stress superoxyde lorsque le métal vient à manquer par l'hôte.

« Cela suggère que de petits changements dans l'activité métal-dépendante, en conjonction avec les contraintes rencontrées au sein de l'hôte, peuvent conduire l'évolution des métalloenzymes avec une nouvelle spécificité de cofacteur », a expliqué le Dr Kehl-Fie.

« Surtout, nos analyses ont découvert le mécanisme par lequel l'évolution a façonné les propriétés de ces métalloenzymes au niveau moléculaire, résultant en une paire d'enzymes qui utilisent différents ions métalliques pour la catalyse. Nous proposons que le changement dans l'utilisation des métaux par les métalloenzymes de S. aureus a été façonné par des changements dans les métaux disponibles pour la bactérie au cours de son évolution d'un mode de vie commensal à un pathogène opportuniste », a dit le Dr Waldron.

L'étude illustre comment l'évolution a façonné l'utilisation des métaux en apportant des modifications mineures à l'environnement chimique du cofacteur métallique redox-actif.

Sur la base de la recherche actuelle, l'équipe propose que le changement dans l'utilisation des métaux par les métalloenzymes de S.aureus a été façonné par des changements dans les métaux disponibles pour la bactérie alors qu'il évoluait d'un mode de vie commensal à un pathogène opportuniste.