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La baie du port danois d’Aarhus est assez jolie, avec son lot habituel de baigneurs, de maisons de vacances et de yachts. Mais les habitants les plus spectaculaires de la baie vivent dans la boue sous ses eaux.

Retour en 2010, Lars Peter Nielsen a estimé que cette boue est traversée de courants électriques qui s’étendent sur quelques centimètres. Nielsen soupçonne que les courants ont été produits par des bactéries qui se comportaient comme des réseaux électriques. Deux ans plus tard, il semble qu’il avait raison. Mais cela allait bien au-delà de ce qu’il avait imaginé.

L’étudiant de Nielsen, Christian Pfeffer, a découvert que la boue électrique grouillait d’un nouveau type de bactéries, qui s’alignent en câbles électriques vivants. Chaque cellule fait juste un millionième de mètre de long, mais ensemble, elles peuvent s’étendent sur des centimètres. Elles ressemblent un peu à de longs et fins câbles que l’on retrouve dans nos appareils électroniques, avec un faisceau de fibres conductrices internes entouré d’une gaine isolante.

En image d’entête : observés au microscope électronique, les membres de la famille Desulfobulbaceae, les chercheurs ne leur ont pas encore donné un genre ou un nom d’espèces, apparaissent en bleu. Elles communiquent d’un bout à l’autre, en formant des filaments de presque 2 cm de longueur. Ci-dessous, en coupe transversale.

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Nielsen estime que chaque câble peut être considéré comme un individu unique, composé de nombreuses cellules :

Pour moi, il est évident que ce sont des bactéries multicellulaires. Ce fut une véritable surprise. Elle n’appartenait pas à nos hypothèses.

Les bactéries sont des membres d’une famille appelée Desulfobulbaceae, mais leurs gènes sont moins de 92 % identique aux membres connus du groupe.

Elles sont si différentes qu’elles devraient probablement être considérées comme un nouveau genre.

Elles ne se trouvent que dans une boue privée d’oxygène, mais là où elles existent, elles sont nombreuses. En moyenne, Pfeffer a trouvé 40 millions de cellules dans un centimètre cube de sédiments, de quoi faire environ 117 mètres de câble vivant.

Les bactéries s’associent pour transférer des électrons du fond de la boue jusqu’à la surface. Ces transferts d’électrons se rencontrent couramment dans la vie. Chacune de nos cellules récupère des électrons de la nourriture, ils sont transmis d’une protéine à l’autre, et éventuellement les dépose sur l’oxygène, libérant l’énergie dont elles ont besoin pour survivre. Tout cela se déroule dans une seule cellule. Les bactéries câble font la même chose, mais à travers une immense chaine de cellules.

Elles font cela pour puiser dans une source riche en énergie, les sulfures dans la boue. Ces produits peuvent facilement donner des électrons, mais il n’y a pas d’oxygène pour les accepter, aucun moyen de compléter la chaîne. Tout l’oxygène est situé à quelques centimètres, dans les sédiments situés plus haut. En s’unissant pour former des câbles, les bactéries peuvent pallier cette lacune. Celles qui sont au fond récupèrent les électrons du sulfure (elles “mangent”), et les envoient à celles d’en haut, ce qui les amène sur l’oxygène (elles “respirent”). Cela ne pourrait pas se faire sans toutes les cellules du milieu.

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Jusqu’à très récemment, les scientifiques pensaient que les microbes ne pouvaient envoyer des électrons que sur de courtes distances, de l’ordre du nanomètre (milliardièmes de mètre) au plus. Puis, en 2005, Gemma Reguera et Derek Lovley ont constaté qu’une espèce, appelée Geobacter sulfurreducens, pouvait envoyer des électrons sur des micromètres (millionièmes de mètre) en utilisant des extensions ressemblant à des poils appelées pili (ou nanofils). Au fil du temps, ces chercheurs et d’autres ont montré que les réseaux de pili pouvaient envoyer des électrons sur des distances beaucoup plus grandes, 100 micromètres, puis un millimètre et puis un centimètre. “C’est une augmentation de dix millions de fois la longueur mesurée pour le transport d’électrons biologique sur six ans”, dit Lovley.

Ci-dessous : les fils orange des nouvelles Desulfobulbaceae s’étendent dans un bécher de laboratoire entre une couche de sédiment rougeâtre, riche en oxygène et une couche sombre de sulfures sans oxygène.
Structure-Desulfobulbaceae

D’autres scientifiques ont proposé différents moyens utilisés par les bactéries susceptibles de créer des courants sur de longues distances. Plus tôt cette année, Kazuya Watanabe suggérait qu’elles utilisent les minerais de fer comme intermédiaire. Mais Nielsen ne pouvait pas voir les traces de nanofils quand il regardait les bactéries sous un puissant microscope. Et les minéraux peuvent aider, mais ils ne sont pas nécessaires, si Nielsen remplace le sédiment avec des sphères de verre, les bactéries pouvaient encore transportées le courant.

Nielsen a beaucoup de preuves indirectes que les microbes sont des conducteurs vivants. S’il enfilait un fil de tungstène horizontalement à travers le sédiment, il court-circuitait les câbles bactériens et ils arrêtaient de conduire le courant vers la surface. S’il plaçait des filtres en travers de leur chemin afin que les câbles ne puissent plus monter, il a également réussi à arrêter les courants (mais pas si les filtres disposaient de pores assez grands pour que les bactéries passent à travers).

Mais Watanabe et Lovley soulignent tous les deux que l’équipe n’a pas mesuré directement les courants circulant à travers ses bactéries. Sous un microscope électronique, l’équipe a constaté que les bactéries câble ont une série de 15 ou 17 sillons sur toute leur longueur. En coupe transversale, dans l’image ci-dessous, ils ressemblent à des engrenages.

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Les bactéries semblent également formées d’une membrane externe, qui s’étend sur la totalité des filaments. Nielsen pense que les nervures sont des canaux pour envoyer des électrons d’une cellule à une autre et la membrane partagée serait une gaine isolante. “Elles se comparent très bien avec nos câbles électriques,” dit-il.

Mais ce n’est qu’une supposition. On ne sait pas de quoi sont faits ces sillons, mais Nielsen s’efforce de savoir exactement comment les bactéries canalisent leurs électrons. C’est juste l’une des nombreuses questions sans réponse. Comment les bactéries s’organisent-elles en une ligne nette verticale? Sont-elles parasitées par d’autres espèces qui volent leurs électrons ? Qu’est-ce que les cellules au milieu de la chaîne obtiennent de leur disposition ? Comment les cellules se divisent de sorte que les filaments ne se cassent pas ? Et sont-elles communes ? Pourquoi ne sont-elles pas partout ? Ou sont-elles partout ?

L’étude publiée sur Nature : Filamentous bacteria transport electrons over centimetre distances.

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