Pour mieux comprendre l’horloge circadienne des cyanobactéries modernes, une équipe de chercheurs japonais a étudié les anciens systèmes de maintien du temps. Ils ont étudié l’oscillation des protéines d’horloge KaiA, KaiB et KaiC (protéines Kai) chez les cyanobactéries modernes et l’ont comparée à la fonction des protéines Kai de leurs ancêtres. Les résultats de leurs recherches ont été publiés dans Nature Communications.

Mieux comprendre l’origine physiologique des systèmes d’horloge circadienne

« Les cyanobactéries actuelles utilisent une horloge circadienne pour prédire le cycle lumière-obscurité de la Terre en fonction de sa rotation, ce qui leur permet d’obtenir des réactions photosynthétiques efficaces. Nous voulions savoir quand les bactéries anciennes ont développé l’horloge circadienne et comment cette caractéristique a été transmise aux cyanobactéries actuelles », explique Atsushi Mukaiyama, professeur associé à l’université préfectorale de Fukui.

Les cyanobactéries, parfois appelées algues bleues, sont des bactéries photosynthétiques qui ont une influence importante sur les océans et l’atmosphère de la Terre. Les scientifiques savent que le dernier ancêtre commun des cyanobactéries est apparu il y a environ 3 milliards d’années. Il a évolué vers l’écosystème actuel pendant le grand épisode d’oxydation, qui a eu lieu il y a environ 2,3 milliards d’années, lorsque la teneur en oxygène de l’atmosphère terrestre a augmenté. Cette évolution s’est poursuivie lors d’au moins deux événements « Terre boule de neige », il y a environ 2,4 et 0,7 milliards d’années, lorsque la planète était recouverte de glace, ainsi que lors de l’enrichissement en oxygène de l’ère néoprotérozoïque, lorsque la teneur en oxygène de la Terre a augmenté une seconde fois. L’enrichissement en oxygène au Néoprotérozoïque a eu lieu il y a 800 à 540 millions d’années.

Sur la base de fossiles et de modèles d’évolution moléculaire, les scientifiques soupçonnent que l’ancêtre commun le plus récent des cyanobactéries possédait déjà des systèmes primitifs de photosynthèse de l’oxygène. L’efficacité de la photosynthèse est fortement influencée par les cycles lumière-obscurité de l’environnement. L’équipe de chercheurs a voulu déterminer si les cyanobactéries primitives disposaient d’un système temporel lorsque la photosynthèse est devenue active au cours du Grand événement d’oxydation. Cela pourrait aider les scientifiques à comprendre l’origine physiologique des systèmes d’horloge circadienne.

L’horloge circadienne des cyanobactéries

Les scientifiques ont identifié des horloges circadiennes, c’est-à-dire des minuteries internes qui permettent à un organisme de fonctionner selon un rythme de 24 heures, dans divers organismes tels que les bactéries, les champignons, les plantes et les mammifères. L’équipe de recherche a étudié l’horloge circadienne des cyanobactéries en utilisant la souche de cyanobactérie Synechococcus elongatus. Ils ont reconstruit l’oscillateur de l’horloge dans un tube à essai en utilisant la protéine d’horloge KaiC. Ils ont également étudié la fonction et la structure des protéines Kai originales afin de déterminer comment les oscillateurs autonomes à protéines Kai ont évolué au fil du temps.

Comme on sait que les cycles lumière-obscurité influencent l’efficacité de la photosynthèse chez les cyanobactéries, l’équipe a voulu savoir si les anciennes cyanobactéries disposaient déjà d’une horloge circadienne autonome lorsque les anciens processus d’oxydation ont eu lieu et que les systèmes photosynthétiques sont apparus pour la première fois. Ils ont découvert que des phénomènes rythmiques plus rapides étaient encodés dans les protéines de l’horloge primordiale. « L’horloge des anciennes cyanobactéries était synchronisée sur un cycle de 18 à 20 heures. Cela signifie que l’histoire de la période de rotation de la Terre pourrait être reconstituée en retraçant l’évolution des molécules de protéines de l’horloge », explique Yoshihiko Furuike, professeur adjoint à l’Institut des sciences moléculaires.

Une évolution plus rapide

Les conclusions de l’équipe montrent que la plus ancienne KaiC des bactéries ancestrales ne possédait pas la fonction et la structure nécessaires aux propriétés rythmiques. Grâce à l’évolution moléculaire, les protéines Kai des ancêtres ont acquis la fonction et la structure nécessaires à l’époque de l’oxydation globale et de la Terre boule de neige. Enfin, l’ancêtre commun le plus récent des cyanobactéries photosynthétiques a hérité de cet oscillateur circadien autonome. Ces résultats sont extrêmement utiles aux scientifiques pour comprendre la chronobiologie. « Notre objectif ultime est de développer des cyanobactéries modifiées capables de s’adapter aux périodes de rotation des planètes et des satellites autres que la Terre en raccourcissant ou en allongeant la période de l’oscillateur de la protéine Kai. Les cyanobactéries ont mis beaucoup de temps à synchroniser leur horloge sur 24 heures, mais avec les connaissances et les technologies modernes, nous pourrions parvenir à une évolution encore plus rapide », a déclaré Shuji Akiyama, professeur à l’Institut des sciences moléculaires.