Des microalgues mises à profit pour la biosynthèse de cristaux moléculaires
Il a été montré que des dinoflagellés accumulent des hétérocycles azotés à partir de solutions aqueuses dans des cristaux de stockage de l’azote, puis les utilisent pour leur croissance. Leur comportement de cristallisation a été modulé afin de produire des cristaux moléculaires aux morphologies et aux propriétés optiques ajustées.
Les dinoflagellés peuvent accumuler rapidement de nombreux hétérocycles azotés à partir de solutions aqueuses dans des cristaux de stockage de l’azote, révélant un mécanisme général de leur métabolisme de l’azote organique dissous. Le comportement de cristallisation peut être modulé afin de générer des cristaux aux morphologies et aux propriétés optiques ajustées, y compris des sphérulites de xanthine biréfringentes, et d’exploiter les microalgues comme usines cellulaires pour produire des cristaux moléculaires à partir de solutions aqueuses dans des conditions ambiantes.
Des cristaux biogéniques hautement réfléchissants tels que la guanine présentent un potentiel en tant qu’alternatives biocompatibles aux matériaux optiques inorganiques toxiques. Des cellules microbiennes modifiées ont été largement utilisées pour produire des métabolites à forte valeur ajoutée, mais la biosynthèse de matériaux cristallins fonctionnels n’avait pas encore été réalisée.
Chez les dinoflagellés marins, les cristaux de guanine agissent comme des réserves d’azote à haute capacité utilisées pour surmonter les déficits périodiques en azote dans l’environnement. Lorsque des cellules d’Amphidinium carterae privées d’azote ont été transférées dans un milieu de culture contenant de la guanine dissoute à environ 40 μM comme seule source d’azote, la guanine a été rapidement éliminée du milieu, parallèlement à l’apparition de sphéroïdes polycristallins biréfringents composés du polymorphe β de la guanine. Ces sphéroïdes polycristallins sont logés dans des vacuoles centrales délimitées par une membrane.
Les vacuoles commencent à accumuler des cristaux seulement 1–10 min après l’exposition à de la guanine exogène, sont entièrement formées après environ 1–5 h et commencent à se désagréger après 12–48 h. Les dinoflagellés peuvent absorber directement, cristalliser et proliférer sur de nombreux hétérocycles azotés, ce qui suggère que le stockage de l’azote organique sous forme de cristaux puis sa libération ultérieure à partir de ces cristaux constitue une stratégie générale de leur métabolisme de l’azote organique dissous.
Les hétérocycles azotés tels que la guanine sont des constituants majeurs de l’azote organique dissous de faible poids moléculaire, une forme abondante et persistante d’azote réduit marin. Les influences anthropiques ont entraîné une augmentation de l’azote organique dissous, et il est essentiel de comprendre comment les microalgues métabolisent les hétérocycles azotés pour mieux saisir le cycle de l’azote organique dissous dans les océans. Les stratégies de stockage de l’azote des dinoflagellés sont également vitales pour leur symbiose avec les coraux, dans laquelle l’azote organique transféré par les dinoflagellés permet aux récifs coralliens de prospérer dans des eaux pauvres en nutriments.
La capacité des dinoflagellés à cristalliser rapidement des hétérocycles azotés à partir de solutions aqueuses est remarquable étant donné que ces molécules peu solubles nécessitent des valeurs de pH extrêmes ou des solvants organiques pour être recristallisées in vitro. Les résultats montrent comment les microalgues pourraient être exploitées comme usines cellulaires pour produire des cristaux moléculaires à partir de solutions aqueuses, avec de possibles applications supplémentaires dans la cristallisation de produits pharmaceutiques et la bioremédiation de substances toxiques.