Autres utilisations du carbone inorganique dans le métabolisme

double mutant Δpyc1 Δpyc2 est en revanche incapable de croître sur glucose (revu par Pronk et al., 1996).

La PEP carboxylase catalyse la carboxylation du PEP en oxaloacétate chez certaines bactéries; elle joue un rôle important dans la fixation du carbone chez les plantes en C4 (O’Leary, 1982). La PEP carboxylase utilise préférentiellement le carbone sous forme HCO3

mais n'a pas besoin de biotine contrairement à la pyruvate carboxylase (O’Leary, 1982). La double délétion Δpyc1 Δpyc2 chez S. cerevisiae peut être complémentée par expression de la PEP carboxylase d'E. coli(Flores and Gancedo, 1997).

L'enzyme malique catalyse la carboxylation du pyruvate en malate (Kornberg, 1965). Chez Saccharomyces cerevisiae l'enzyme malique est localisée dans la mitochondrie: elle est exprimée de façon constitutive et son expression est augmentée en conditions anaérobies (Boles et al., 1998). Elle peut utiliser du NAD⁺ ou du NADP⁺ comme cofacteurs pour la réaction de carboxylation (Boles et al., 1998).

1.3. Autres utilisations du carbone inorganique dans le métabolisme

1.3.1. Assimilation de substrats en C2 et C3

Les substrats tels que l'acétate, les acides gras à nombre de carbone pair, les alcanes, alcènes, alcools, esters, cires et le polyhydroxybutyrate (PHA) peuvent être convertis en acétyl-CoA(Alber et al., 2006; Erb, 2011). Chez les organismes anaérobies, l'acétyl-CoA est reconverti en pyruvate par la PFOR, ce qui est impossible chez les organismes aérobies ou microaérobies du fait de la haute sensibilité à l'oxygène de la PFOR. L'acétyl-CoA doit donc être reconverti en intermédiaires métaboliques via des réactions anaplérotiques.

Les plantes, les invertébrés, les champignons et certaines bactéries utilisent le cycle du glyoxylate (Figure 8), une séquence de réactions anaplérotiques qui permettent à un substrat en C2 de rentrer dans le cycle de Krebs au niveau de l'acétyl-CoA ; il en résulte une production d'isocitrate qui est clivé en succinate et glyoxylate par une enzyme spécifique de ce cycle, l'isocitrate lyase. Le glyoxylate obtenu est ensuite condensé avec une molécule d'acétyl-CoA pour former du malate (Kornberg and Krebs, 1957). Il n'y pas de fixation de CO2 dans ce cycle, mais les réactions de décarboxylation du cycle de Krebs sont contournées.

Figure 8. Cycle du glyoxylate.

Enzymes : 1, citrate synthase ; 2, aconitase, 3, isocitrate lyase ; 4, succinate déshydrogénase ; 5, fumarase ; 6, malate déshydrogénase ; 7, malate synthase.

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Certains microorganismes tels que Methylobacterium extorquens, Rhodobacter sphaeroides et Rhodospirillum rubrum assimilent les composés en C2 par la voie de l'éthylmalonyl-CoA qui comprend deux étapes de carboxylation (Figure 9) (Erb et al., 2007). Cette voie permet la formation d'une molécule de malate et d'une molécule de succinate à partir de trois molécules d'acétyl-CoA et de deux molécules de CO2 ; elle inclut donc une réelle co-fixation de carbone inorganique, dont la part peut atteindre 33% (Erb, 2011).

Figure 9. Voie métabolique de l’éthylmalonyl-CoA (d'aprèsErb et al, 2007).

Enzymes numérotées : 1, β-cétothiolase ; 2, acétoacétyl-CoA réductase ; 3, crotonyl-CoA carboxylase/réductase ; 4, éthylmalonyl-CoA mutase ; 5, mésaconyl-CoA hydratase ; 6, β-malyl-CoA/L-malyl-CoA lyase ; 7, β-malyl-β-malyl-CoA/L-malyl-CoA/L-malyl-β-malyl-CoA/L-malyl-CoA lyase ; 8, propionyl-β-malyl-CoA/L-malyl-CoA carboxylase.

L'assimilation d'unités C3 issues de l'oxydation des acides gras, alcanes, alcènes, alcools et cires à nombre de carbone impair, et des acides aminés tels que la valine ou l'isoleucine est impossible par la voie classique de la β-oxydation des acides gras. Cependant, le propionate et les composés en C3 qui lui sont semblables peuvent être métabolisés grâce à la propionyl-CoA carboxylase biotine-dépendante (Wood and Barden, 1977) (Figure 10). Dans le cas du propionate, cette carboxylation mène à la formation de succinyl-CoA qui rejoint le cycle de Krebs. Le bilan final de l'assimilation est la formation d'une molécule de succinyl-CoA à partir du propionate et de CO2 (Erb, 2011). La leucine ne peut pas non plus être métabolisée via la voie de β-oxydation des acides gras du fait de la présence d'un groupement méthyl: sa métabolisation est prise en charge par la 3-méthylcrotonyl-CoA carboxylase biotine-dépendante (Wood and Barden, 1977) formant trois acétyl-CoA à partir de la leucine et d'une molécule de CO2 (Figure 10). Les carboxylations impliquées dans la métabolisation du propionate et de la leucine mènent à une co-fixation de CO2 théorique de 25% et 17% respectivement (Erb, 2011).

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1.3.2. Carboxylations impliquées dans la méthylotrophie

Les méthylotrophes sont des microorganismes hétérotrophes capables de croître sur des substrats à un ou à plusieurs atomes de carbone mais ne contenant aucune liaison carbone-carbone. Les méthylotrophes obligatoires ne peuvent croître que sur des substrats en C1 (méthane, méthanol, méthylamine, formaldéhyde, etc.) tandis que les méthylotrophes facultatifs peuvent croître sur des substrats multicarbonés (diméthyléther diméthylamine, triméthylamine, triméthylammonium, etc.). Parmi ces méthylotrophes, certains sont incapables de pousser sur méthane du fait de l'absence de la méthane mono-oxygénase (revu par Anthony, 1982). Certains méthylotrophes oxydent les substrats à un atome de carbone en CO2 , qu'ils sont capables de fixer en utilisant le cycle de Calvin et de la lumière ou l'oxydation de l’hydrogène (revu par Anthony, 1982). Il existe également un cycle du ribulose monophosphate, qui permet l'assimilation du carbone du formaldéhyde et aboutit à la formation de composés en C3(revu par Anthony, 1982). Enfin, certains méthylotrophes utilisent le cycle de la sérine pour assimiler le formaldéhyde (revu Chistoserdovaet al., 2009).

1.3.3. Autres fonctions des carboxylases

Les voies de biosynthèse peuvent faire appel à des réactions de carboxylation pour la synthèse des acides gras et des polycétides, qui utilisent des esters d'acyl-CoA activés pour former des chaînes carbonées (Rock and Jackowski, 2002).

La carboxylation joue également un rôle dans la régulation de la balance redox cellulaire chez les bactéries pourpres non sulfureuses en condition de croissance photohétérotrophe anaérobie (Figure 11)(McKinlay and Harwood, 2010). Chez Rhodobacter sphaeroides notamment, la croissance sur butyrate, fumarate, succinate ou malate dépend de l'assimilation de CO2 par les deux formes de RubisCO présentes chez le microorganisme (Hallenbecket al., 1990; Lagunaet al., 2011). Le butyrate étant un substrat plus réduit que le carbone cellulaire, une addition externe de CO2 est même requise pour la croissance cellulaire. Le CO2 joue ici un rôle de siphon à électrons et non de source de carbone, ce qui est confirmé par le fait que le remplacement de CO2 par d'autres accepteurs d'électrons (NO3

-, DMSO-, triméthylamine) n'entrave pas la croissance (Erb-, 2011; McKinlay and Harwood-, 2010).

Figure 11. Stratégie de régulation de la balance d'oxydoréduction chez les bactéries pourpres non sulfureuses en croissance sur butyrate.

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Flèches noires: métabolisme du carbone; flèches vertes: métabolisme énergétique; flèches bleues en pointillés: métabolisme des électrons (d'après McKinlay and Harwood, 2010).

Les carboxylases jouent par ailleurs un rôle important dans les réactions d'assimilation de substrats inertes (phénol, acétophénone, acétone) par les microorganismes en permettant leur métabolisation par fonctionnalisation en conditions anaérobies (Erb, 2011).

Figure 12. Réactions de carboxylation pour l'assimilation de substrats inertes (d'après Erbet al., 2011).

Après l'étape de carboxylation, les composés sont activés en esters d'acyl-CoA puis métabolisés, par exemple par la voie de la β-oxydation.

2. Application de réactions de fixation du carbone pour la