Photosynthèse et biomédecine

Image de couverture: lichens sur écorce d’un liquidambar (Vigo). Auteur: F. Rodríguez

Traduit par Marc Long

Les symbioses avec les algues sont plus fréquentes qu’on ne le pense. On peut les observer tous les jours, sur les murs, sur l’écorce des arbres, ou encore sur les rochers en marchant le long de la côte…ce sont les lichens bien sûr.

Dans le milieu marin, on trouve des symbiotes photosynthétiques chez des animaux tels que les éponges, les cnidaires et les mollusques. L’hôte et le photosymbiote -qu’il s’agisse de microalgues ou de cyanobactéries- profitent d’énergie et de nutriments pour leur croissance, mais peuvent également être protégés contre les prédateurs par exemple.

Mais n’oublions pas que le copyright de la photosynthèse est détenu par les ancêtres des cyanobactéries actuelles. L’idée était tellement prodigieuse que d’autres cellules ont piraté les droits d’auteur, et les ont transmis à leurs descendants: les microalgues et les plantes terrestres.

Elysia chlorotica. Auteur: P.J. Krug. Source: National Geographic.

Nous aussi, nous aimerions bien pouvoir faire de la photosynthèse. Imaginez, il suffirait simplement de lézarder au soleil. Grâce aux photosymbiotes, l’hôte obtient des composés essentiels à sa survie tels que des sucres, des acides aminés, du glycérol, des lipides, des acides organiques, etc.

Quelles sont les limites de la photosymbiose chez les animaux? Tout va bien si les symbiotes ont suffisamment de lumière et si l’hôte permet une coexistence « pacifique » (par exemple, sans attaques du système immunitaire). Mais cela ne se fait pas du jour au lendemain…

Toute union stable implique une certaine adaptation (morphologique, génétique et métabolique) des deux côtés.

Par exemple, l’énorme manteau du bénitier Tridacna permet à ses symbiotes dinoflagellés (Symbiodinium) d’être exposés à la lumière.

Ou encore le transfert de gènes photosynthétiques de l’algue verte Vaucheria litorea à son hôte, la limace de mer Elysia chlorotica.

Quels organismes possèdent des photosymbiotes ? Les cyanobactéries et les microalgues vivent en tant qu’endo- ou ecto-symbiontes dans des organismes unicellulaires (dinoflagellés, diatomées, foraminifères, radiolaires, acanthaires) et multicellulaires (cnidaires, éponges et mollusques). Parmi ces derniers, nous avons déjà évoqué les coraux, les anémones (Anemonia, Cassiopea), ascidies (Lissoclinum), hidrozoaires (Velella), mollusques gasterópodes (Elysia), sans oublier les petits vers plats (Symsagittifera), et même les œufs de salamandre! (Ambystoma).

Salamandre maculée (Ambystoma maculatum). Source: Sobre esto y aquello.

La salamandre Ambystoma maculatum est le premier vertébré connu dont les algues sont endosymbiontes tout au long de son cycle de vie. Oophila amblystomastis, est une algue verte dont le nom signifie « qui aime les œufs de salamandre ».

Leur présence dans les embryons et les capsules d’œufs augmente la teneur en oxygène, ce qui favorise l’éclosion, protège des infections et élimine les résidus azotés de l’embryon.

Il n’existe cependant pas encore de preuve irréfutable que Oophila transfère de l’énergie aux salamandres par photosynthèse (comme le fait Symbiodinium chez les coraux).

Mais compte tenu des avantages pour les salamandres, pourquoi ne pas étudier ces applications dans notre propre intérêt?

L’application la plus évidente consiste à utiliser l’oxygène des microalgues en médecine pour combattre l’hypoxie dans les tissus: les thérapies photosynthétiques. Pour cela, il faut recréer la photosymbiose avec des biomatériaux qui mettent en contact les microalgues et les cellules animales. Cela peut sembler de la science-fiction, mais cela fait plus de deux décennies que des recherches sont menées et publiées sur le sujet.

Voici des exemples d’ingénierie tissulaire. Une matrice de collagène qui soutient les chlorophycées (Chlamydomonas reinhardtii) et les fibroblastes (cellules du tissu conjonctif) dans un biomatériel qui régénère les zones blessées de la peau. Ou le même biomatériel, mais avec des lignées transgéniques de C. reinhardtii, qui produisent des composés augmentant le potentiel régénérateur dans les incisions et les blessures…

…ou encore un hydrogel avec la cyanobactérie Spirulina platensis pour éliminer les lésions cutanées causées par une infection à Staphylococcus aureus. Ce ne sont là que quelques exemples déjà testés avec succès sur des souris (Chávez y col. 2020).

Biomateriaux capables de produire de l’oxygène in situ. A) cultures de cyanobactéries et d’algues vertes. B) Pansement pour la peau. C) Fils de suture. D) tests de biocompatibilité chez le poisson zèbre et E) chez la souris. Source: Chávez et col. (2020).

L’utilisation de la photosynthèse est également envisagée dans les thérapies anticancéreuses, pour contrer l’hypoxie provoquée par certaines tumeurs qui entrave leur traitement. Jusqu’à présent, des expériences ont été menées avec des algues vertes (Chlorella) et des cyanobactéries (Synechococcus elongatus).

Schéma de photothérapie anticancéreuse avec des cyanobactéries. Source: Argawal et col. (2021).

Mais le passage des souris aux essais cliniques sur l’homme est encore loin. Il faut d’abord étudier une plus grande diversité de microalgues et de cyanobactéries ayant des usages cliniques différents, et approfondir les mécanismes gouvernant l’association avec les photosymbiotes.

Un autre obstacle à leur application chez l’homme est le système immunitaire qui ne doit pas interfèrer avec la thérapie photosynthétique, que ce soit avec des micro-organismes immunotolérants ou des médicaments induisant une tolérance.

Et cela ne semble pas impossible car le système immunitaire des vertébrés ne réagit que faiblement (voir pas du tout) aux micro-organismes photosynthétiques.

Un travail récent (Özugur et col. 2021) est allé un peu plus loin en injectant des cellules photosynthétiques directement dans le système circulatoire. Et plus précisément Chlamydomonas reinhardtii et la cyanobactérie Synechocystis, dans des têtards de grenouille (Xenopus laevis), en utilisant des souches « normales » (type sauvage) d’une part et des « mutants » qui ne produisent pas d’oxygène d’autre part.

Les têtards (vivants et anesthésiés ; les pauvres, tout ça pour la science), dans un environnement hypoxique et sans activité neuronale, ont retrouvé le fonctionnement de leurs neurones lorsqu’ils ont été éclairés. Tout cela grâce à l’augmentation de l’oxygène généré par photosynthèse par les Chlamydomonas (ou Synechocystis) dans leur système circulatoire. Et comme preuve de l’origine photosynthétique de l’oxygène, les têtards « témoins » (avec des souches mutantes ne produisant pas d’oxygène) sont restés sans activité neuronale.

Voici la vidéo de l’injection du cœur « vert ». C’est surprenant.

Injection de microalgues chez le poisson têtard de Xenopus laevis. Source: Özugur y col. (2021)

Les applications intravasculaires pourraient théoriquement aller de la guérison de tissus endommagés, à la suppression de problèmes respiratoires. Ces applications pourraient profiter de la libération de substances bioactives par les microalgues.

Malgré les difficultés (faciles à imaginer pour le moment), l’expérimentation sur les vertébrés ouvre la voie à des applications qui relèvent aujourd’hui de la science-fiction. Et ce n’est pas moi qui le dit, mais Suzan Özugur et col. à la fin de leur article…

Références:

  • Argawal T. et col. Recent advances in tissue engineering and anticancer modalities with photosynthetic microorganisms as potent oxygen generators. Biomed. Eng. Adv. 1, 100005 (2021).
  • Burns J.A. et col. Heterotrophic carbon fixation in a salamander-alga symbiosis. Front. Microbiol. 11:1815 (2020).
  • Chávez M.N., et col. Photosymbiosis for biomedical applications. Front. Bioeng. Biotechnol. 8, 577204 (2020).
  • Özugur S. et col. Green oxygen power plants in the brain rescue neuronal activity. iScience 24, 103158 (2021).
  • Rumpho M.E. et col. Horizontal gene transfer of the algal nuclear gene psbO to the photosynthetic sea slug Elysia chlorotica. PNAS 105: 7867–17871 (2008).
  • Venn A.A. et col. Photosynthetic symbioses in animals. J. Exp. Bot. 59:1069–1080 (2008).

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