Une signature isotopique de l’origine bactérienne de magnétites

Des bactéries particulières, appelées magnétotactiques, synthétisent en leur sein des nanoparticules de magnétite, un oxyde de fer minéral magnétique (Fe3O4). Cela leur permet de s’aligner le long du champ magnétique terrestre. On trouve de la magnétite dans des couches sédimentaires, mais, jusqu’ici, on ne pouvait savoir si elle provenait ou non de bactéries qui, en mourant, l’avait déposée. Afin d’obtenir une  méthode d’identification des fossiles de bactéries magnétotactiques, des chercheurs de l’Institut de Physique du Globe de Paris, de l’Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie  et de la société Nanobactérie ont mesuré la composition isotopique du fer de cristaux de magnétite produite par des bactéries cultivées au laboratoire.  Ils ont mis en évidence une anomalie isotopique caractéristique  de la magnétite synthétisée par celles-ci.

Le noyau de chaque atome, ou nucléide, contient un nombre Z, appelé numéro atomique, de protons et un nombre N de neutrons. On appelle isotopes les nucléides ayant le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons. On caractérise les isotopes par leur nombre de masse A, somme de Z et de N que l’on écrit en exposant à gauche du symbole de l’atome, par exemple 57Fe, 56Fe.
Rappelons que les protons et les neutrons sont quasiment de même masse, que les protons ont une charge positive égale à la valeur absolue de la charge de l’électron alors que les neutrons sont de charge nulle.

Le fer trouvé dans la nature est composé de 4 isotopes stables, dans les proportions suivantes :  le 54Fe (5,845 %), le 56Fe (91,754 %), le 57Fe (2,119 %), le 58Fe (0,282 %).

Les bactéries magnétostatiques sont parmi les plus anciens microorganismes  capables de biominéralisation.  Les cristaux de magnétites mesurent de 35 à 120 nm.

Il est intéressant de savoir si les magnétites trouvées dans les sédiments sont issues de l’intérieur de cellules de bactéries ou non. C’est pour cela que les chercheurs ont cultivé des bactéries magnétotactiques de l’espèce Magnetospirillum magneticum (Fig.1.).

Fig.1. Image en microscopie électronique à transmission (MET) de la bactérie magnétotactique Magnetospirillum magneticum. On distingue les cristaux foncés de magnétite qui forment des chaines au sein de la cellule. Reproduit de Mass-dependent and –independent signature of Fe isotopes inmagnetotactic bacteria Matthieu Amor, Vincent Busigny, Pascale Louvat, Alexandre Gélabert, Pierre Cartigny, Mickaël Durand-Dubief, Georges Ona-Nguema, Edouard Alphandéry, Imène Chebbi, François Guyot. SCIENCE, 6 MAY 2016 • VOL 352 ISSUE 6286. avec autorisation.

Fig.1. Image en microscopie électronique à transmission (MET) de la
bactérie magnétotactique Magnetospirillum magneticum.
On distingue les cristaux foncés de magnétite qui forment des chaînes au sein de la cellule.
Reproduit de Mass-dependent and –independent signature of Fe isotopes inmagnetotactic bacteria
Matthieu Amor, Vincent Busigny, Pascale Louvat, Alexandre Gélabert, Pierre Cartigny, Mickaël Durand-Dubief, Georges Ona-Nguema,
Edouard Alphandéry, Imène Chebbi, François Guyot.
SCIENCE, 6 MAY 2016 • VOL 352 ISSUE 6286. avec autorisation.

On distingue sur la figure précédente des chaînes de cristaux de magnétite. Elles sont contenues dans des structures membranaires appelées magnétosomes.

Ces bactéries ont été cultivées dans des milieux contenant soit du quinate de Fe(III), soit de l’ascorbate de Fe(II), qui seront utilisés par les bactéries pour synthétiser la magnétite.

La magnétite, Fe3O4, est un oxyde de fer(II,III), qui contient à la fois les ions Fe2+ et Fe3+. Ces deux sortes d’ions fer, les cations fer(II), Fe2+ et les cations fer(III), Fe3+ existent à l’état naturel ionique.

Les bactéries synthétisent le Fe3O4 avec ses deux types d’ions, aussi bien dans un des milieux de culture précédents que dans l’autre.

Une petite fraction des milieux de culture est prélevée avant et après l’introduction des bactéries et on y dose la composition isotopique du fer. On a aussi effectué ce dosage sur des magnétites d’origine minérale pour comparaison et, bien sûr, sur les magnétites, dites biomagnétites, isolées à partir des bactéries mortes, le lysat. Ce lysat est filtré et purifié. Les chaînes de magnétosomes sont séparées magnétiquement. Les membranes des magnétosomes sont dissoutes chimiquement et les magnétites sont traitées pour supprimer toute trace de fer adsorbé.

La figure 2 présente les stades successifs d’obtention de ces biomagnétites.

Fig.2. Observation au MET des cristaux de magnétite durant le processus de purification. A, B) Images au microscope électronique par transmission des bactéries. C, D) Chaînes de cristaux de magnétites à l'intérieur des bactéries. E,F) Nanoparticules de magnétite purifiées à partir du lysat de bactéries. La colonne de gauche,A, C, E, correspond à des expériences dans un milieu de culture contenant du quinate de Fe(III), celle de gauche à un milieu ascorbate de Fe(II). Reproduit de Mass-dependent and –independent signature of Fe isotopes inmagnetotactic bacteria Matthieu Amor, Vincent Busigny, Pascale Louvat, Alexandre Gélabert, Pierre Cartigny, Mickaël Durand-Dubief, Georges Ona-Nguema, Edouard Alphandéry, Imène Chebbi, François Guyot. SCIENCE, 6 MAY 2016 • VOL 352 ISSUE 6286. avec autorisation.

Fig.2. Observation au MET des cristaux de magnétite durant le processus de purification.
A, B) Images de bactéries au microscope électronique par transmission .
C, D) Chaînes de cristaux de magnétites à l’intérieur des bactéries.
E,F) Nanoparticules de magnétite purifiées à partir du lysat de bactéries.
La colonne de gauche (A, C, E), correspond à des expériences dans un milieu de culture contenant du quinate de Fe(III), celle de droite (BDF) à celles dans un milieu contenant de l’ascorbate de Fe(II).
Reproduit de Mass-dependent and –independent signature of Fe isotopes inmagnetotactic bacteria, Matthieu Amor, Vincent Busigny, Pascale Louvat, Alexandre Gélabert, Pierre Cartigny, Mickaël Durand-Dubief, Georges Ona-Nguema,
Edouard Alphandéry, Imène Chebbi, François Guyot.
SCIENCE, 6 MAY 2016 • VOL 352 ISSUE 6286. avec autorisation.

 

Le dosage des isotopes est effectué  par spectrométrie de masse.

La spectrométrie de masse est une méthode d’analyse physique qui mesure le rapport masse/charge, m/q, d’atomes ou de molécules.  Ces particules sont préalablement chargées par ionisation et subissent des déviations sélectives  dans un  analyseur utilisant un champ magnétique ou/et un champ électrique.

 

Le quinate de Fe(III) et l’ascorbate de Fe(II)  sont les sources de fer dans les deux types de milieux de culture utilisés. Dans ces deux cas, on trouve que le lysat de bactéries est enrichi en isotope 56Fe de 0,3 à 0,8  0/00 par rapport à ses sources initiales(Fig.3.).

Fig.3 Variations de composition isotopique de Fe56 observées dans des cultures de bactéries magnétotactiques. Valeurs de l'écart δ56Fe pour le milieu de culture initial (les symboles sont des cercles), le milieu de culture final (carrés), échantillons de magnétite d'origine minérale (triangles) et les lysats de bactéries(losanges). Les symboles sont pleins pour les expériences utilisant le quinate de(Fe III) et vides pour celles faites avec l'ascorbate de (FeII) comme sources de fer. Reproduit de Mass-dependent and –independent signature of Fe isotopes inmagnetotactic bacteria, Matthieu Amor, Vincent Busigny, Pascale Louvat, Alexandre Gélabert, Pierre Cartigny, Mickaël Durand-Dubief, Georges Ona-Nguema, Edouard Alphandéry, Imène Chebbi, François Guyot. SCIENCE, 6 MAY 2016 • VOL 352 ISSUE 6286. avec autorisation.

Fig.3 Variations de composition isotopique de 56Fe observées
dans des cultures de bactéries magnétotactiques.
Valeurs de l’écart δ56Fe pour le milieu de culture initial (les symboles sont des cercles), le milieu de culture final (carrés), des échantillons de magnétite d’origine minérale (triangles) et les lysats de bactéries(losanges). Les symboles pleins correspondent à des expériences utilisant le quinate de (Fe III) comme source de fer, ceux vides à celles utilisant l’ascorbate de (FeII) .
Reproduit de Mass-dependent and –independent signature of Fe isotopes inmagnetotactic bacteria, Matthieu Amor, Vincent Busigny, Pascale Louvat, Alexandre Gélabert, Pierre Cartigny, Mickaël Durand-Dubief, Georges Ona-Nguema,
Edouard Alphandéry, Imène Chebbi, François Guyot.
SCIENCE, 6 MAY 2016 • VOL 352 ISSUE 6286. avec autorisation.

 

 

Enfin les chercheurs ont observé que les magnétites des lysats bactériens étaient  appauvries en isotope  57Fe pour la culture en milieu contenant du quinate de Fe(III). Le fait que le 56Fe s’enrichisse alors que le 57Fe s’appauvrit est remarquable car les enrichissements isotopiques habituellement observés sont proportionnels à la masse. Ici, on a une variation isotopique indépendante de la masse.

Le mécanisme qui conduit à cette signature isotopique des biomagnétites est loin d’être élucidé et ouvre un intéressant domaine de recherche. Mais, de toute façon, ce fractionnement isotopique  a une grande importance pour l’identification de fossiles de bactéries magnétotactiques dans des couches de sédiments terrestres, mais aussi pour des fossiles extra-terrestres comme ceux observés dans  des  météorites.

 

Pour en savoir plus :

Mass-dependent and -independent signature of Fe isotopes in magnetotactic bacteria

Matthieu Amor, Vincent Busigny, Pascale Louvat, Alexandre Gélabert,

Pierre Cartigny, Mickaël Durand-Dubief, Georges Ona-Nguema,

Edouard Alphandéry, Imène Chebbi, François Guyot.

SCIENCE, 706-707, 6 MAY 2016 • VOL 352 ISSUE 6286

 

 

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