Le champignon de l’espace : Aspergillus niger

                              

De la microbiologie pour ceux qui ont les crocs


Le champignon de l’espace : Aspergillus niger

Tout le monde n’a pas le privilège de voyager dans l’espace. Seuls quelques astronautes, robots et certains organismes utiles à la recherche ont cette chance. Pourtant, certains invités surprises peuvent les accompagner : les microbes. Selon les directives de la Protection Planétaire, chaque objet doit subir une désinfection ou un nettoyage complet avant de quitter la surface de la Terre. Chaque élément d’un nouveau rover, d’un atterrisseur ou d’une combinaison spatiale doit être débarrassé de tout contaminant, qu’il soit biologique ou simplement sale.

Certaines spores bactériennes survivent toutefois à ce traitement chimique. Les spores bactériennes sont un type de cellule hautement protégé, résistant aux conditions difficiles des radiations, du vide et des températures élevées. Le Bacillus subtilis est un exemple de bactérie formant des spores. Le traitement des surfaces avec des rayons UV ou du peroxyde sont quelques méthodes utilisées pour détruire les spores bactériennes.

Contrairement aux spores bactériennes, dont la résistance aux rayonnements a été étudiée pendant des années, les spores fongiques ont suscité très peu d’attention. Malgré cela, des rapports récents indiquent qu’un champignon appelé Aspergillus niger (communément appelé moisissure noire) est un contaminant majeur de la Station spatiale internationale. A. niger est transmis par l’air et colonise rapidement les nouveaux environnements. Ce champignon est généralement connu comme un contaminant alimentaire, se développant mieux dans des conditions chaudes et humides.

Par exemple, ce champignon provoque la pourriture post-récolte de fruits et légumes comme le raisin, les fraises et les oignons (Nair, 1985). Dans le même ordre d’idées, A. niger peut causer des problèmes respiratoires chez les humains s’il infecte les voies respiratoires. Inversement, A. niger pourrait présenter des avantages potentiels. Par exemple, A. niger a été important comme usine cellulaire dans les applications biotechnologiques, principalement pour sa capacité à produire de grandes quantités de produits biologiques comme les protéines et les enzymes. Pour ces raisons, il est crucial d’étudier le comportement de A. niger dans des conditions spatiales afin d’éviter une colonisation indésirable du champignon à l’intérieur des vaisseaux spatiaux et de l’exploiter au contraire pour ses avantages biotechnologiques.

Le Dr Marta Cortesão, du groupe de recherche en biologie spatiale en Allemagne, et d’autres scientifiques ont tenté d’étudier la tolérance aux radiations des spores d’A. niger. Dans cette étude, les chercheurs ont analysé la résistance aux rayonnements des champignons A. niger de type sauvage et de trois mutants après une exposition à des niveaux de rayonnement habituellement rencontrés dans l’espace. Ils ont irradié les champignons à l’aide de rayons UV-C, de rayons X et de rayons cosmiques. Les rayons X et les rayons UV-C sont émis par le Soleil. En revanche, le rayonnement cosmique est produit à la suite d’explosions de supernova ou de pulsars (Chancellor et al., 2018) et se compose d’ions d’hélium et de fer.

Quels sont les effets des rayonnements sur les cellules vivantes ? Les scientifiques affirment que les rayonnementspeuvent causer deux types de dommages – directs et indirects. Les dommages directs affectent les protéines, les lipides et l’ADN soit les éléments constitutifs des cellules. Les dommages indirects sont dus à la production d’un dérivé réactif de l’oxygène  (DRO) en grande quantité. Les DRO sont produits à la suite de la radiolyse, un processus au cours duquel le rayonnement interagit avec l’oxygène présent dans l’eau pour produire des molécules hautement réactives telles que le peroxyde, le superoxyde, l’oxygène singulet, etc. Des niveaux contrôlés de DRO sont nécessaires au bon fonctionnement de toute cellule. Mais lorsqu’il y a une production excessive de DRO, le stress oxydatif peut endommager les organites cellulaires et conduire à l’apoptose, ou mort cellulaire.

Figure 1 : Effet des radiations sur Aspergillus niger. Les dommages directs et indirects (stress oxydatif) sont les deux types de dommages causés par les radiations. Les couleurs indiquées sont uniquement à des fins de représentation ROS = reactive oxygen species = DRO en français. Image créée par l’auteur avec Biorender

De multiples facteurs contribuent à la tolérance aux radiations dans un organisme spécifique. Les scientifiques ont créé des mutants de A. niger pour comprendre le rôle de trois facteurs : la pigmentation, la réparation de l’ADN et la croissance polaire (contrôle de la taille de la colonie fongique). Pour chaque mutant, ils ont supprimé un seul gène responsable de conférer chaque facteur. Les mutants ont été appelés ∆fwnA (pigmentation), ∆kusA (réparation de l’ADN) et ∆racA (croissance polaire).

Figure 2 : Mutants d’Aspergillus niger. Les couleurs présentées sont uniquement à des fins de représentation. Image créée par l’auteur avec Biorender

Les rayons X et le rayonnement cosmique sont des types de rayonnement ionisant. Des études précédentes ont montré que les radiations ionisantes et le peroxyde d’hydrogène génèrent des DRO et que la pigmentation est impliquée dans la résistance à ce stress oxydatif. Après le traitement aux rayons X et aux rayons cosmiques, les scientifiques ont constaté que, contrairement à ce qui avait été suggéré précédemment, la pigmentation ne jouait pas un rôle dans la résistance aux rayonnements ionisants de type spatial, car le mutant de pigmentation ∆fwnA présentait une croissance tout comme les champignons de type sauvage. Le Dr Cortesão et son groupe ont ensuite incubé le mutant ∆fwnA dans du peroxyde d’hydrogène. Dans ce cas, ils ont découvert que la pigmentation est nécessaire à la protection contre le stress oxydatif induit par le H2O2. De plus, ils ont constaté que le même mutant présentait une croissance moindre après un traitement aux UV-C, ce qui suggère que la pigmentation est cruciale pour la résistance aux rayons UV-C.

Le mutant de réparation de l’ADN, ∆kusA, a montré une croissance moindre aux rayons X, ce qui suggère que les rayons X ont causé des dommages directs par rupture de l’ADN. Ainsi, la réparation de l’ADN est cruciale pour la protection contre les rayonnements ionisants. Enfin, la croissance associée à la surface, ou la formation de biofilms, est une caractéristique importante de la colonisation par A. niger. Les chercheurs ont donc analysé la capacité d’A. niger de type sauvage et mutant à former des biofilms après un traitement par radiation. Leur principale conclusion est que la formation de biofilms chez le mutant ∆racA était fortement réduite par rapport au type sauvage après un traitement aux UV-C, ce qui suggère que le gène contrôlant la croissance polaire est essentiel pour la protection contre les rayons UV-C. Collectivement, leurs résultats montrent que la pigmentation protège A. niger contre le rayonnement UV-C, que la voie de réparation de l’ADN aide les champignons contre le rayonnement ionisant et que le gène contrôlant la croissance polaire peut être ciblé pour la prévention de la colonisation.

Cette étude nous montre que A. niger est exceptionnellement résistant aux radiations. Il peut résister à des niveaux de rayonnement UV-C plus élevés que Deinococcus radiodurans, un microbe radiorésistant bien connu. Il faudrait un traitement avec plus de 1000 Gy de rayonnement UV-C pour enrayer le problème de la colonisation par A. niger, ce qui est supérieur à l’exposition prévue pour un voyage aller-retour de 360 jours vers Mars (0,66 ± 0,12 Gy) (Cortesão et al., 2020).

En conclusion, le rayonnement de type spatial ne peut à lui seul éliminer les spores d’A. niger. Il est donc nécessaire que les scientifiques de la protection planétaire s’attaquent à ces microbes qui pourraient causer une contamination biologique des corps planétaires à notre insu. Cependant, la grande résistance aux radiations d’A. niger lui permettra de jouer un rôle important dans la biotechnologie spatiale à l’avenir, en permettant aux astronautes de produire des substances essentielles comme des antibiotiques, des vitamines et des enzymes à bord des vaisseaux spatiaux.


Article original: Cortesão Marta, de Haas Aram, Unterbusch Rebecca, Fujimori Akira, Schütze Tabea, Meyer Vera, Moeller Ralf, 2020. Aspergillus niger Spores Are Highly Resistant to Space Radiation. Frontiers in Microbiology, Volume 11, https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.00560

Sources:

  1. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Hydrogen-peroxide
  2. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/5359597
  3. Committee on Space Research (COSPAR) » Panel on Planetary Protection (PPP) (cnes.fr)
  4. 18.14 Fungi as cell factories (davidmoore.org.uk)
  5. https://spaceplace.nasa.gov/supernova/en/
  6. https://www.atnf.csiro.au/outreach/education/everyone/pulsars/index.html
  7. Research – What is Singlet Oxygen? | Cal State LA

Featured image: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%B4%D0%B8%D0%B8_aspergillus_niger_2.tif


Traduit par Yohann Geraldes