Soutenance mémoire
Les cyanobactéries
Les cyanobactéries représentent l’un des plus gros phyla chez les procaryotes. Ces organismes ont un rôle central dans l’équilibre écologique de la planète car ils représentent 30% de la production de CO2. Elles ont colonisé les environnements extrêmes , des lacs volcaniques[7] aux glaces de l’antarctique[8] . Certaines espèces de cyanobactéries peuvent vivre en symbiose avec un champignon, formant le lichen[9] , ou avec des plantes supérieures, comme l’Azolla[10] . Dans ce dernier cas, la cyanobactérie Anabaena azollae est capable de fixer l’azote atmosphérique en azote assimilable par la plante. D’autres espèces sont connues pour leur capacité à proliférer jusqu’à former des films à la surface de l’eau, appelés blooms ou efflorescence . Un tel évènement est favorisé par l’élévation de la température de l’eau, sa stagnation et sa richesse en nutriments. Dans les années à venir, les efflorescences seront de plus en plus fréquentes car le réchauffement global de la température se répercutera sur la température des masses d’eau[11] et l’agriculture intensive utilise une quantité important d’engrais (comme l’azote et le phosphate) qui sont lessivés et transportés vers les lacs et les rivières. Outre l’augmentation de la turbidité et des odeurs émanant des zones d’efflorescences, un problème sanitaire est présent car certaines espèces de cyanobactéries produisent des toxines pouvant rendre l’eau irritante ou toxique[12]. L’impact économique de tels problèmes est jugé sévère dans des régions misant une part de leur intérêt touristique sur les lacs et les rivières.
Cependant, une forte concentration en cyanobactéries ne produisant pas de toxines peut être une aubaine. Depuis des temps anciens, des peuples comme les aztecs récolent et consomment certaines cyanobactéries, comme la spiruline (Arthrospira platensis). Aujourd’hui encore, l’homme continue ce procédé comme par exemple au Tchad, où l’éthnie des Kanembu continuent de récolter la spiruline qui pullule dans les eaux chaudes (35-37°C) du lac Chad Basin sous un soleil généreux .
La spiruline est ensuite séchée au soleil puis découpée afin d’être facilement transportée, stockée et vendue sur des marchés locaux[13] . Sa production et son conditionnement sont également industrialisés dans de nombreux pays (Amérique du Sud et Asie en particulier) en tant que complément alimentaire. En effet, la spiruline présente une haute teneur en protéines, minéraux (fer, calcium, sodium et magnésium), et antioxydants et une faible teneur en calories et cholestérol. Ses propriétés nutritionnelles combinées à sa facilité de culture font de l’utilisation de la spiruline comme complément nutritionnel est une piste jugée crédible par les médecins pour lutter conter contre la malnutrition[14]. Les énergies fossiles mondiales assurent à l’Homme encore quelques dizaines d’années d’autonomie énergétique (40 ans pour le pétrole, 50 ans pour l’uranium, 70 ans pour le gaz naturel, 230 ans pour le charbon)[15]. Cependant, le problème ne se situe pas tant au niveau des ressources mais plutôt au niveau des émissions de gaz à effets de serre tels que le CO2 [11] . Les cyanobactéries sont un espoir dans la recherche de sources d’énergies alternatives aux énergies fossiles car le bilan carbone est proche de zéro. La maitrise des outils de biologie moléculaire chez la cyanobactérie modèle Synechocystis permet de changer son métabolisme pour répondre à des besoins spécifiques, par exemple une sur-production de dihydrogène[16] , d’éthanol[17] ou de lipides pouvant être transformés en biodiesel[18] .
Par ailleurs, le métabolisme des cyanobactéries peut être modifié pour que ces organismes produisent des composés à forte valeur ajoutée tels que le sucrose, Butanediol (utilisé dans les résines et comme solvant de certains colorants), l’acide lactique (additif alimentaire E270), mannitol (additif alimentaire E421) ou le glycérol (utilisé en pharmacie et cosmétique) .
Stress lumineux et photoprotection
Les PBs sont des antennes collectrices très efficaces qui permettent de capturer une part importante de la lumière incidente. Cependant, la collecte d’une quantité d’énergie supérieure à la capacité d’assimilation au cours du métabolisme crée un stress oxydant. Un tel stress peut se produire lorsqu’une cellule est soumise à des conditions de lumière changeantes : réapparition du soleil radieux après le passage d’un nuage ou masqué par un l’ombre d’un arbre agité par le vent. Les biofilms cyanobactériens sont également des structures dynamiques dans lesquelles les cellules sont alternativement soumises à la lumière directe à la surface du biofilm puis ombragées par d’autres cellules .
Stress oxydant
En tant qu’organismes phototrophes, les cyanobactéries ont à faire face au stress oxydant généré au cours de la photosynthèse en plus de celui généré au cours de la respiration. La photosynthèse produit du pouvoir réducteur sous forme de NADPH qui sert par exemple à alimenter le cycle de fixation du carbone ou cycle de Calvin Benson. L’énergie est également stockée sous forme de gradient de protons nécessaire à la production d’ATP, molécule à haut pouvoir énergétique utilisé dans de nombreux processus cellulaires. L’état redox de la cellule doit être finement régulé afin de disposer d’une quantité suffisante de pouvoir réducteur sans pour autant trop réduire les transporteurs d’électrons car de dangereuses réactions secondaires avec l’oxygène pourraient survenir[49–51] . Le stress oxydant photosynthétique dont il est question dans ce chapitre désigne les dommages induits par les espèces réactives de l’oxygène (ROS, Reactive Oxygen Species ou ERO, Espèces Réactives de l’Oxygène en Français) générées au cours de la photosynthèse, l’oxygène singulet (1O2), le H2O2 et l’anion superoxyde (.O−2 ). Elles peuvent être générées au niveau du PSII, du PSI, et des phycobilisomes[48] . Deux autres formes réduites peuvent être générées au cours par exemple des réactions de détoxification de l’oxygène singulet et de l’anion superxoyde, ce sont le peroxyde d’hydrogène (H2O2), le radical hydroxyl (.OH). Les ROS sont hautement réactifs et peuvent endommager des composants cellulaires. L’oxygène singulet peut réagir avec les protéines, les pigments et les lipides. L’anion superoxyde et le radical hydroxyle possèdent un électron non appareillé qui les rendent très réactifs avec les biomolécules. Le H2O2 est l’espèce la moins réactive, mais elle peut former le très réactif radical hydroxyl au cours de la réaction de Fenton. Au niveau du PSII, c’est l’oxygène singulet qui est l’ERO majoritairement générée[52] . La durée de vie de l’état excité de la chlorophylle (jusqu’à quelques nanosecondes) permet la création d’un potentiel électrochimique par une séparation de charge. Si la séparation de charge entre chlorophylle et phéophytine se prolonge dans le temps lorsque les quinones QA et Qb sont réduites, alors la recombinaison de charge peut créer un état triplet de la chlorophylle, qui en réagissant avec l’oxygène forme le singulet oxygène. Aussi sous forte intensité lumineuse, les chlorophylles des photosystèmes peuvent se retrouver en état triplet et réagir avec des molécules d’oxygène. Au PSI, dans des conditions de lumière intense, le dioxygène peut être utilisé comme accepteur primaire d’électrons du côté stromal du PSI, et former ainsi des anions superoxide.
Une équipe a montré en 2007 que de l’oxygène singulet et de l’anion superoxyde peuvent être produits au niveau des phycobilisomes[53] . Ces deux ERO peuvent endommager les phycobiliprotéines. Le rôle dans la signalisation des espèces réactives de l’oxygène, et plus particulièrement le H2O2, est bien décrit chez les plantes[54] et E.coli[55] . Les données disponibles chez les cyanobactéries sont moins abondantes. On peut néanmoins citer l’importance des Histidines Kinases His16, His33, His 34 et His41 qui seraient impliqués dans la détection et la signalisation du H2O2 .
Les cyanobactéries ont développés plusieurs stratégies afin de survivre aux stress lumineux. L’échappement est une stratégie communément utilisée par les organismes mobiles. Si la cyanobactérie modèle Synechocystis est dotée d’un pili[57] lui permettant de se déplacer, sa force ne lui permet certainement pas d’aller à l’inverse des mouvements de courants aquatiques[58] . Ne pouvant échapper au stress, les cyanobactéries peuvent utiliser plusieurs stratégies pour, in fine, réduire les ROS présents dans la cellule : diminuer l’énergie capturée, utiliser différemment cette énergie ou transformer les ROS en molécules chimiques inoffensives.
|
Table des matières
INTRODUCTION
Partie 1.1 : Préambule
1.1.1 Les cyanobactéries
1.1.2 Classification, physiologie et génétique
1.1.3 La photosynthèse
Partie 1.2 : Stress lumineux et photoprotection
1.2.1 Stress oxydant
1.2.2 Mécanismes de photoprotection
Partie 1.3 : La caroténo-protéine OCP (Orange Carotenoid Protein)
1.3.1 Régulation de l’expression
1.3.2 Structure tertiaire
1.3.3 Photoactivation
1.3.4 L’OCP, une protéine photoprotectrice
1.3.5 La Fluorescence Recovery Protein (FRP)
Partie 1.4 : Problématique de la thèse
spécificités des ocps : interaction avec différents pbs
2.0.1 Résumé de l’article Jallet et al, 2013
2.0.1 Article : Specificity of the Cyanobacterial Orange Carotenoid Protein
2.0.2 Résultats complémentaires à l’article Jallet et al., 2013
production hétérologue d’ocp chez e. coli
3.0.1 Résumé de l’article Bourcier de Carbon et al, 2015
3.0.1 Article : Biosynthesis of soluble carotenoid holoproteins in Escherichia coli
rôle du n-terminal bras de l’ocp
4.0.1 Résumé de l’article Thurotte et al., 2015
4.0.1 Article : Regulation of Orange Carotenoid Protein Activity in Cyanobacterial Photoprotection
4.0.2 Régulation de la traduction de l’OCP d2-15
4.0.3 Influence de l’apo-protein dans les mesures d’activité de l’OCP
4.0.4 Importance de la phénylalanine n°227 dans la photoconversion de l’OCP
le caroténoïde est translaté de 12 å lors de la photoactivation
5.0.1 Résumé de l’article Leverenz et al., 2015
5.0.1 Article : A 12 Å carotenoid translocation in a photoswitch associated with cyanobacterial photoprotection
structure et site actif de la frp
6.0.1 Résumé de l’article Sutter et al., 2013
6.0.1 Article : Crystal structure of the FRP and identification of the active site for modulation of OCP-mediated photoprotection in cyanobacteria
site de fixation de la frp sur l’ocp
7.0.1 Interaction FRP-OCP Photoactivation et recovery en présence et absence de FRP
7.0.2 Interaction OCP-PBS : Diminution de la fluorescence des PBs induite par des OCPs
7.0.3 Activité Proline Cis-Trans isomerase de la FRP
7.0.4 Discussion
discussion
8.0.1 Photoactivation : Nouveau modèle
8.0.2 Interaction OCP-PBS
8.0.3 Interaction OCP-FRP
perspectives
9.0.1 Photoactivation
9.0.2 Domaines impliqués dans l’affinité avec les PBs
9.0.3 Complexe OCP-FRP
9.0.4 La carte de densité électronique du complexe OCPPBs pourrait nous aider à déterminer le lieu d’attachement de l’OCP aux PBs
9.0.5 Souches naturellement dépourvues d’OCP
9.0.6 Régulation des gènes
CONCLUSION
annexes
bibliographie
