La fascinante histoire évolutive des oxydoréductases, nanomachines clés de la bioénergétique

Les oxydoréductases, piliers de la production d’énergie

Tous les êtres vivants tirent leur énergie de réactions chimiques fondamentales, au cœur de processus comme la respiration, la fermentation ou la méthanogenèse. Ces réactions reposent sur des échanges d’électrons entre des molécules donneuses et acceptrices : on parle de réactions d’oxydoréduction. 

Dans la respiration aérobie, par exemple, les sucres cèdent leurs électrons à l’oxygène. Ces transferts d’électrons sont souvent couplés au passage d’ions à travers une membrane, créant un gradient électrochimique que la cellule exploite pour produire de l’ATP, la molécule qui fournit l’énergie nécessaire au vivant.

Ces étapes clés sont assurées par des enzymes spécialisées, les oxydoréductases, qui s’assemblent en complexes multiprotéiques. Véritables nanomachines moléculaires, elles convertissent l’énergie chimique en énergie utilisable par la cellule.

Un vaste réseau évolutif commun à tout le vivant

Les oxydoréductases regroupent de nombreuses familles d’enzymes qui ont des rôles et des activités très différentes au sein des voies énergétiques. Nombre d’entre elles partagent des similitudes de séquences indiquant qu’elles ont évolué à partir d’un ancêtre commun. Dans cette étude publiée dans la revue Nature Ecology & Evolution, les scientifiques les ont regroupées ensemble sous le terme de HORBEC (Homologous Oxidoreductase complexes involved in Redox Balance and Energy Conservation).

Les HORBEC interviennent dans quasiment toutes les voies énergétiques connues.  Ils incluent notamment certaines hydrogénases, capables de produire du biohydrogène ou encore le complexe respiratoire utilisé lors de la respiration. Leur présence s’étend à l’ensemble du vivant, des eucaryotes (animaux, plantes, champignons, ...) aux procaryotes (bactéries et archées). Une telle ubiquité suggère qu’ils étaient déjà présents chez l’ancêtre commun à tout le vivant : LUCA (Last Common Universal Ancestor).

Cartographier la diversité des oxydoréductases

Pour retracer l’histoire évolutive de ces complexes, les scientifiques ont analysé plus de 50 familles de protéines représentant l’ensemble des composants des HORBEC dans plus de 4000 génomes de procaryotes. Cette analyse génomique et phylogénétique à grande échelle leur a permis de proposer une classification homogène des HORBEC et d’identifier 31 complexes distincts, dont certains étaient jusqu’ici très peu décrits. 

Ils mettent notamment en évidence un système membranaire inédit, susceptible d’être intégré à d’autres complexes afin d’augmenter le transport d’ions. Les archées se distinguent par une diversité particulièrement élevée de ces complexes, suggérant une exploration évolutive plus large des solutions bioénergétiques.

Modularité et complexité très ancienne des systèmes énergétiques

L’étude révèle un certain nombre de cas d’émergence d’HORBEC à partir d’assemblages de sous-parties de complexes préexistants. Il en ressort que l’évolution des HORBEC repose sur une forte modularité : de nouveaux complexes peuvent émerger par recombinaison de sous-ensembles préexistants. Cependant, cette flexibilité est encadrée par des contraintes strictes, limitant les combinaisons possibles. 

Fait remarquable, les analyses suggèrent que LUCA possédait déjà des HORBEC sophistiqués, dont un complexe respiratoire à 11 sous-unités. Cette découverte remet en question l’idée d’une bioénergétique primitive simple et progressive, et suggère au contraire une complexité très précoce des systèmes énergétiques du vivant.

Des retombées pour l’écologie et les biotechnologies

Au-delà de l’éclairage fondamental sur l’histoire de la vie, ces travaux fournissent un outil, HORBEC-finder, capable d’identifier automatiquement ces complexes dans n’importe quel génome. Une avancée précieuse pour prédire les métabolismes à partir des données génomiques, avec des implications majeures en écologie microbienne, en géochimie et en biotechnologie. 

Figure : Structure, fonctionnement et évolution des oxydoréductases impliquées dans la production d’énergie (HORBEC). Les différents modules sont représentés en vert, bleu, rose, et rouge. Les électrons transmis par un donneur vers un accepteur traversent la partie cytosolique du complexe. Le passage de l’électron déclenche une série de changements structuraux qui permettent de faire passer des cations à travers la membrane. Le gradient de cations est ensuite utilisé pour produire de l’énergie. Les HORBEC étaient présents chez le dernier ancêtre commun universel LUCA (i.e. Nuo/Fpo) et se sont diversifiés chez les bactéries et des archées. Certains ont des histoires évolutives très linéaires, tous leurs modules ayant évolué ensemble, tandis que d’autres comme Mbs sont le produit de nombreuses recombinaisons de modules d’origines diverses. Ici, le schéma est très simplifié et ne représente que l’évolution du module cytosolique. 

En savoir plus : Garcia, P.S., De Anda, V., Baker, B.J. et al. Evolution and diversity of oxidoreductases involved in redox balance and energy conservation. Nat Ecol Evol (2026). https://doi.org/10.1038/s41559-025-02969-0