Des champignons capables de geler l’eau instantanément : une découverte aux multiples promesses

Le pouvoir insoupçonné de la nature pour déclencher le gel

La congélation de l’eau représente la transition de phase la plus répandue dans le monde naturel. Ce phénomène fondamental influence la dynamique climatique de la Terre, les multiples processus atmosphériques ainsi qu’une grande variété d’interactions écologiques. Les températures inférieures à 0 °C créent un environnement propice à la cristallisation, mais la vitesse de ce processus reste étroitement liée aux conditions de nucléation, une étape qui correspond à la formation du tout premier noyau de glace.

Des chercheurs viennent d’identifier des protéines fongiques dotées de la capacité de catalyser la formation de glace avec une redoutable efficacité. L’équipe à l’origine de cette découverte regroupe des scientifiques de l’Institut polytechnique et de l’Université d’État de Virginie, institution connue sous le nom de Virginia Tech, ainsi que de l’Université d’État de Boise, deux établissements situés aux États-Unis.

Leurs travaux se sont concentrés sur la famille des champignons Mortierellaceae, massivement présents dans les sols. Ces organismes abritent des protéines capables de provoquer un gel instantané de l’eau, ouvrant la voie à des avancées techniques majeures dans la maîtrise des précipitations artificielles, la conservation alimentaire ou encore la préservation des tissus cellulaires.

La compétition des agents de nucléation : biologie contre chimie

Dans l’environnement, la congélation de l’eau se trouve facilitée par différents agents de nucléation, qu’ils soient d’origine biologique ou abiotique. Du côté de la biologie, de nombreux organismes produisent ces nucléateurs naturels. Les versions issues de bactéries et de champignons s’avèrent être les plus performantes du règne vivant. Elles autorisent une congélation de l’eau dès −2 °C, une caractéristique singulière qui leur permet d’influencer la formation des nuages, la fréquence des précipitations ou encore l’ampleur des dégâts provoqués par le gel sur les cultures agricoles.

Les agents abiotiques nécessitent des températures sensiblement plus basses pour parvenir à un résultat similaire. L’iodure d’argent représente le composé couramment employé lors de l’ensemencement des nuages afin de générer des pluies artificielles. Il ne déclenche la formation de glace qu’aux alentours de −5 °C, et ce uniquement sous certaines conditions spécifiques. L’utilisation à grande échelle de ce composé chimique se voit aujourd’hui freinée par un niveau de toxicité non négligeable pour l’écosystème.

Il existe une immense diversité d’agents biologiques capables de nucléer la glace de façon très efficace à des températures supérieures à −10 °C. Jusqu’à la publication de cette nouvelle étude, seuls les agents d’origine bactérienne bénéficiaient d’un séquençage génétique et d’une caractérisation scientifique approfondie. Les chercheurs s’intéressent désormais à cette alternative fongique, porteuse de solutions jusqu’alors inexploitées.

Un héritage génétique mystérieux et une structure unique en son genre

L’analyse poussée de ces champignons du sol a révélé que ces protéines fongiques présentent une particularité structurelle majeure : elles sont indépendantes de la membrane cellulaire. Contrairement aux protéines transmembranaires, elles ne s’incrustent pas de manière permanente à l’intérieur de cette enveloppe. Cette absence d’ancrage laisse supposer un processus d’extraction technologique beaucoup plus aisé que pour la récupération des protéines d’origine bactérienne.

L’étude de ces molécules a également mis en lumière une histoire évolutive singulière. Le gène responsable du codage de ces protéines a probablement été acquis par les ancêtres des Mortierellaceae à partir d’une espèce bactérienne. Ce mécanisme biologique, désigné sous le terme de transfert horizontal de gènes, se serait déroulé il y a des centaines de milliers, voire des millions d’années. Si les raisons évolutives de cette acquisition demeurent inexpliquées pour le moment, les données recueillies indiquent clairement que ce gène a subi des modifications au fil du temps dans le but d’être amélioré.

Boris A. Vinatzer, professeur à l’École des sciences végétales et environnementales au sein de Virginia Tech et coauteur de l’étude, souligne la rareté de cet événement génétique. Il détaille cette surprise scientifique : « On sait que les champignons peuvent acquérir des gènes de bactéries, mais ce n’est pas un phénomène courant. Je ne m’attendais donc pas à ce que ce gène fongique ait une origine bactérienne ».

De l’industrie alimentaire à la préservation du vivant

Les propriétés de ces protéines de nucléation fongiques offrent de multiples avantages par rapport à leurs homologues bactériennes, notamment grâce à leur hydrosolubilité et à leur structure acellulaire. Ces attributs ouvrent des perspectives d’innovation concrètes dans le secteur de la conservation des aliments. En effet, les protéines fongiques peuvent être utilisées de manière totalement isolée, offrant une sécurité sanitaire très supérieure face aux protéines bactériennes qui requièrent l’utilisation des bactéries elles-mêmes.

Le professeur Boris A. Vinatzer précise cet atout considérable pour l’industrie : « C’est un avantage considérable en production alimentaire, car on dispose d’une seule protéine bien définie et on peut éliminer tout le reste. Il est possible de développer un additif sûr et efficace qui facilite la préparation des aliments surgelés ». Le domaine de la cryoconservation biologique pourrait tout autant bénéficier de l’intégration de ces molécules fongiques au sein de ses protocoles.

Ces protéines relativement petites possèdent la capacité d’accélérer le gel de l’eau située à l’extérieur des cellules, limitant considérablement les dommages physiques infligés aux membranes cellulaires. Cette technique pourrait révolutionner la conservation des spermatozoïdes, des ovules et des embryons. Le chercheur de Virginia Tech ajoute une précision cruciale : « on ne pourrait pas faire cela avec des bactéries, car il faudrait ajouter des cellules bactériennes entières ».

Faire pleuvoir sur commande sans polluer l’atmosphère terrestre

L’un des objectifs d’application majeurs de cette recherche vise à repenser totalement les méthodes de modification de la météo. Remplacer les produits actuels par cette alternative fongique pourrait transformer la gestion des précipitations artificielles en réduisant la pollution. Boris A. Vinatzer résume l’ambition environnementale de son équipe dans un communiqué officiel de Virginia Tech : « Si nous apprenons à produire à moindre coût une quantité suffisante de cette protéine fongique, nous pourrions l’injecter dans les nuages et rendre l’ensemencement des nuages beaucoup plus sûr ».

Au-delà des applications pratiques, industrielles ou climatiques, cette découverte intéresse la recherche fondamentale à une tout autre échelle. La compréhension détaillée des mécanismes de nucléation liés à ces composés laisse entrevoir des implications directes pour l’élaboration des futurs modèles climatiques et atmosphériques, permettant aux scientifiques d’affiner leurs prévisions globales.

L’ensemble de ces travaux inédits, qui tissent un lien direct entre la génétique fongique microscopique et les dynamiques atmosphériques mondiales, offre un nouveau regard sur la manière dont les organismes invisibles façonnent le climat planétaire. Les résultats complets de cette étude ont été officiellement publiés le 11 mars dans les colonnes de la prestigieuse revue scientifique Science Advances.

Selon les sources : trustmyscience.com | Science Advances