Exploration des modèles et des mécanismes du cycle de l'azote par séquençage métagénomique

Le cycle de l'azote est l'un des cycles biogéochimiques les plus importants de la Terre, avec les microorganismes jouant un rôle indispensable dans son réseau complexe. En exploitant la puissance des technologies métagénomiques, nous débloquons une vue d'ensemble à la fois de la quantité et de la diversité des taxons microbiens fonctionnels interconnectés au sein du cycle de l'azote. Par conséquent, nous obtenons des aperçus profonds des schémas sous-jacents et des mécanismes complexes régissant ce cycle essentiel.

Aperçu des processus du cycle de l'azote par des gènes marqueurs sélectionnés. (de Jong et al., 2018)

Cycle de l'azote

L'azote, un élément vital pour la vie, se distingue comme un facteur limitant majeur pour la croissance biologique sur notre planète. Bien que l'azote atmosphérique (N2) soit abondant, la plupart des organismes dépendent de formes d'azote biodisponibles, telles que l'ammonium et le nitrate, pour alimenter leur croissance. La disponibilité de ces formes d'azote repose sur une série de réactions de transformation de l'azote, collectivement appelées le cycle de l'azote. Ce cycle orchestre le mouvement, la transformation et le recyclage perpétuel de l'azote élémentaire entre l'atmosphère, la biosphère, le sol et l'hydrosphère de la Terre.

Le cycle de l'azote peut être décomposé en six processus distincts de transformation de l'azote, chacun ayant un but unique :

• Assimilation : Les organismes convertissent les formes d'azote inorganique (par exemple, les sels d'ammonium et les nitrates) en azote organique, une ressource vitale pour la croissance et la synthèse dans les entités vivantes.
• Ammonification : La décomposition des composés d'azote organique en sels d'ammonium marque la conversion de l'azote organique à l'azote inorganique.
• Nitrification : Un processus de conversion où les sels d'ammonium se transforment en nitrates, comprenant deux sous-processus : l'oxydation de l'ammoniac et l'oxydation des nitrites.
• Dénitrification : Le nitrate subit une réduction en azote élémentaire (N2), libérant de l'azote dans l'atmosphère.
• Oxydation anaérobie de l'ammoniac (Anammox) : Un chemin de transformation de l'azote spécialisé qui convertit directement l'ammonium et le nitrate en gaz azote, en contournant les intermédiaires.
• Fixation de l'azote : L'azote atmosphérique (N2) est converti en formes d'azote biologiquement accessibles, telles que les sels d'ammonium.

Les flux entre ces processus de transformation de l'azote présentent une variation considérable, la conversion entre l'ammoniac et l'azote organique étant l'un des processus à flux les plus élevés, tandis que la nitrification constitue un contributeur de flux significatif.

La métagénomique dans la recherche sur le cycle de l'azote

Les technologies métagénomiques se sont révélées être des outils indispensables pour percer les mystères des microorganismes et de leurs gènes associés au sein du cycle de l'azote. Voici quelques aspects clés et bases de données intégrales aux études métagénomiques axées sur le cycle de l'azote :

• Identification des gènes associés au cycle de l'azote : L'exploration des données métagénomiques facilite la découverte de gènes associés au cycle de l'azote présents dans l'environnement naturel. Ces gènes codent pour des enzymes et des protéines cruciales pour la transformation de l'azote.
• Quantification de l'abondance des gènes : Les données métagénomiques nous permettent d'évaluer l'abondance relative des gènes liés au cycle de l'azote parmi divers groupes microbiens, éclairant ainsi leur signification dans les écosystèmes.
• Distribution des espèces des gènes associés : Les données métagénomiques fournissent des aperçus sur la distribution des gènes liés au cycle de l'azote à travers diverses espèces microbiennes, mettant en lumière le rôle de la diversité microbienne dans la formation de la tapisserie complexe du cycle de l'azote.

Bases de données sur le cycle de l'azote

Les bases de données fournissent collectivement une riche source d'informations génétiques liées au cycle de l'azote, permettant aux chercheurs d'explorer les complexités du métabolisme de l'azote et de ses gènes associés. Les bases de données spécialisées (NcycFunGen et NCycDB) offrent des ressources complètes et conviviales, tandis que KEGG fournit un contexte supplémentaire mais peut nécessiter une navigation plus complexe, en particulier pour les données génétiques incomplètes. Les chercheurs peuvent choisir la ou les bases de données les plus adaptées en fonction de leurs besoins de recherche spécifiques et de l'exhaustivité de leurs séquences de gènes.

Base de données NcycFunGen

Cette base de données inestimable abrite une collection substantielle de données génétiques, comprenant 60 735 séquences d'acides aminés, des séquences d'acides nucléiques et des profils HMM de 22 gènes clés associés au cycle de l'azote.

Les chercheurs peuvent exploiter ces ressources à de multiples fins. Les séquences d'acides aminés peuvent être organisées en bibliothèques de séquences mmseqs, facilitant l'indexation systématique. Le matching d'homologie peut ensuite être appliqué pour une annotation détaillée. De plus, les spectres HMM peuvent être utilisés pour des recherches de séquences spectrales et une annotation complète des séquences de cadre de lecture ouvert (ORF).

La base de données propose également une cartographie des séquences d'acides aminés à leurs symboles de gènes respectifs, simplifiant l'exploration des gènes du cycle de l'azote.

Base de données NCycDB

La base de données NCycDB est un trésor comprenant 273 942 séquences d'acides aminés, qui sont ensuite raffinées à 273 501 en éliminant les identifiants de séquences dupliquées. Ces séquences correspondent à un total de 68 gènes uniques associés au cycle de l'azote.

Les chercheurs peuvent puiser dans cette ressource pour un large éventail d'applications. La base de données des séquences d'acides aminés fournit une base complète pour les investigations génomiques. De plus, la base de données offre une cartographie précieuse qui associe les séquences d'acides aminés à leurs symboles de gènes correspondants.

Base de données KEGG

KEGG, une ressource bioinformatique renommée, présente une gamme de gènes liés au cycle de l'azote, qui sont liés aux KO KEGG (Orthologie KEGG).

Les données étendues de KEGG peuvent être utilisées pour accéder aux spectres HMM KO KEGG, offrant des aperçus sur les fonctions des gènes. De plus, elle donne accès aux séquences d'acides aminés et d'acides nucléiques associées aux gènes KEGG.

Bien que KEGG soit une ressource précieuse, il est important de noter qu'elle peut produire moins de résultats d'annotation par rapport à des bases de données spécialisées comme NcycFunGen et NCycDB. En particulier, la méthode kofamscan de KEGG pourrait s'avérer moins conviviale, surtout pour les séquences de gènes incomplètes.

Cas : Étude du cycle de l'azote dans les environnements de fuites froides par séquençage métagénomique

L'énigme des diazotrophes dans les sédiments de fuites froides

Des recherches récentes ont identifié des archées méthanotrophes anaérobies (ANME-2) et leurs partenaires bactériens réducteurs de sulfate (clade SEEP-SRB1) comme des pionniers diazotrophes dans les sédiments de fuites froides en profondeur. Ces organismes remarquables, grâce à leurs capacités de fixation de l'azote, défient les conditions difficiles de l'environnement de fuite froide. Pourtant, une question pressante se posait : ANME-2 et SEEP-SRB1 sont-ils les seuls champions de la fixation de l'azote dans cet abîme glacé ?

La quête d'aperçus complets

Pour dévoiler les dimensions cachées du cycle de l'azote dans les fuites froides, cette équipe intrépide s'est lancée dans une quête. Armés de techniques de séquençage métagénomique de pointe, ils ont collecté et analysé des données provenant de 61 métagénomes, 1428 génomes assemblés à partir de métagénomes et six métatranscriptomes tirés de 11 sites de fuites froides dans le monde. Leur mission : déchiffrer le réseau complexe du cycle de l'azote dans ces profondeurs mystérieuses.

Arbre phylogénétique par maximum de vraisemblance de la sous-unité non redondante de la nitrogenase NifH identifiée à partir des assemblages métagénomiques de fuites froides. (Dong et al., 2022)

Révéler la diversité des lignées diazotrophes

Le voyage métagénomique a révélé une révélation remarquable : une diversité d'azote génétique s'étendant sur une vaste diversité de lignées diazotrophes nichées dans les sédiments de fuites froides. La puissance de fixation de l'azote, il semblait, n'était pas confinée uniquement à ANME-2 et SEEP-SRB1. Au lieu de cela, une riche tapisserie de groupes microbiens est apparue comme des fixateurs d'azote potentiels, réécrivant le récit du cycle de l'azote dans ces environnements extrêmes.

Déverrouiller les mécanismes

La quête ne s'est pas arrêtée à la découverte de gènes ; ils ont plongé plus profondément dans la machinerie métabolique qui conduit la fixation de l'azote. Les prédictions de diverses voies cataboliques ont suggéré les moyens par lesquels ces microorganismes de fuites froides alimentaient leurs capacités de fixation de l'azote, remettant en question la notion prédominante selon laquelle la diazotrophie dans ces environnements était intrinsèquement liée à l'oxydation anaérobie du méthane dépendante du sulfate.

Reconstruction métabolique des voies principales pour les MAGs fixateurs d'azote. (Dong et al., 2022)

Mobilité génétique et forces évolutives

Fait intéressant, des preuves de mobilité génétique parmi les gènes de fixation de l'azote au sein des groupes diazotrophes dans les fuites froides ont été découvertes. De plus, les forces de l'évolution, sous la forme de sélection purificatrice, semblaient façonner ces traits génétiques. Cela a suggéré une communauté dynamique et adaptable de fixation de l'azote dans l'écosystème des fuites froides.

Élargir l'horizon

Leurs découvertes ont repoussé les limites de la recherche sur le cycle de l'azote dans les environnements de fuites froides. Cinq phylums candidats, Altarchaeia, Omnitrophota, FCPU426, Caldatribacteriota et UBA6262, ont émergé comme des diazotrophes potentiels, élargissant la liste des organismes fixateurs d'azote dans ces habitats éloignés et difficiles. Ces fixateurs d'azote précédemment négligés pourraient, ont-ils postulé, être des contributeurs substantiels à l'équilibre mondial de l'azote.

Références :

1. Dong, Xiyang, et al. "Des diazotrophes phylogénétiquement et cataboliquement divers résident dans les sédiments de fuites froides en profondeur." Nature Communications 13.1 (2022) : 4885.
2. de Jong, Anniek, et al. "Diminution de la diversité microbienne le long d'un gradient de pollution dans les sédiments de la rivière Citarum." BioRxiv (2018) : 357111.