Bien que l’azote gazeux constitue près de 78 % de l’atmosphère terrestre, sa triple liaison le rend difficilement utilisable par les organismes vivants. Pour y parvenir, les micro-organismes mènent à bien la remarquable réaction de fixation de l’azote : ils transforment le N₂ en ammoniac, utilisé comme engrais et biocarburant, tout en participant au cycle de l’azote sur Terre. L’enzyme nitrogénase est responsable de cette réaction et se présente sous différentes formes selon le métal présent dans son métallocofacteur : le molybdène, le vanadium ou le fer.
Une étude publiée dans Nature Communications s’est penchée sur la nitrogénase d’un microbe des grands fonds marins vivant dans des zones volcaniques, Methanocaldococcus infernus, capable de fixer le N₂ à des températures supérieures à 90 °C. L’équipe dirigée par Tristan Wagner (IBS/ELMA et anciennement chef de groupe à l’Institut Max Planck de microbiologie marine, Brême) a isolé la nitrogénase directement à partir du microbe et a découvert que l’enzyme présentait une résistance à la chaleur étonnante : elle commence à se dégrader à 90 °C, et une petite partie peut même survivre à 98 °C. Cela explique pourquoi l’enzyme est trop lente pour être active à température ambiante. Ils ont eu recours à la biologie structurale et aux techniques de rayons X synchrotron pour en révéler la structure, mettant en évidence des caractéristiques propres aux trois formes de nitrogénase. Ceci étaye l’hypothèse selon laquelle l’enzyme issue des archées produisant du méthane pourrait s’apparenter à un ancêtre commun de la nitrogénase, à partir duquel les systèmes modernes auraient évolué. De plus, l’étude du fonctionnement de l’enzyme de Methanocaldococcus infernus pourrait permettre de mettre en évidence des principes mécanistiques communs à toutes les nitrogénases.
Pour ce faire, les chercheurs ont d’abord examiné les métaux qui composent le métallocofacteur et, en raison de sa complexité, ont recouru à la cristallographie aux rayons X pour déterminer avec précision l’identité de chaque métal à l’échelle atomique. La partie la plus difficile a consisté à identifier le molybdène, car son signal n’est détectable qu’à une longueur d’onde spécifique, généralement inaccessible avec les montages expérimentaux conventionnels, mais accessible sur la ligne de lumière BM07-FIP2 (ESRF) en poussant le montage expérimental à ses limites extrêmes. Une fois la présence du molybdène confirmée, les scientifiques ont été stupéfaits par leur découverte suivante : un état observé jusqu’alors uniquement dans les formes de nitrogénase à base de vanadium et de fer, a été observé pour la première fois dans une enzyme à base de molybdène. Cette avancée met en évidence un principe mécanistique universel parmi les nitrogénases et marque une étape importante dans la compréhension de la réaction de fixation de l’azote, qui recèle un grand potentiel pour lutter contre la crise climatique et les problèmes environnementaux liés à l’eutrophisation.
Molecular basis of N2 fixation in a hyperthermophilic archaeon. Maslać N, Törer MR, Bolte P, Wagner T. Nature Communications 2026 ; 17:9602.
Contact : Tristan Wagner, chercheur CEA dans le Groupe Extremophiles et grands assemblages moléculaires (IBS/ELMA) et anciennement chef de groupe à l’Institut Max Planck de microbiologie marine, Brême.