Rôle des espèces réactives de l'oxygène et substances exopolymeriques des bactéries dans le processus de biominéralisation du manganèse

Reactive oxygen species and exopolymeric substances in manganèse biomineralization in bacterial biofilms

• Auteur / Autrice : Thais Couasnon
• Direction : Bénédicte Ménez, Alexandre Gelabert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre.Géochimie
• Date : Soutenance le 25/01/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Eric Van Hullebusch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bénédicte Ménez, Alexandre Gelabert, Eric Van Hullebusch, Christophe Dupraz, Jasquelin Peña, Jennyfer Miot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Dupraz, Jasquelin Peña

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matrice de substances polymériques extracellulaires

Microscopie électronique à transmission

Espèces réactives de l'oxygène

Biominéralisation

Microscopie électronique en transmission

Espèces réactives de l'oxygène et de l'azote

Biofilms

Mots clés libres

Biofilm bactérien

Biominéralisation induite

Microscopie électronique à transmission en cellule liquide

Substances exopolymèriques

Bacterial biofilm

Induced biomineralization

Liquid-cell transmission electron microscopy

Exopolyméric substances

Résumé

L’objectif de ce travail de thèse a été de déterminer quels sont les facteurs physico- chimiques locaux qui déclenchent la précipitation du manganèse dans des biofilms d’Escherichia coli. Pour étudier le rôle de la structure du biofilm sur la biominéralisation, trois mutants d’E. coli MG1655 et deux d’E. coli 1094 produisant différents types de EPS ont été utilisés. Ce travail de doctorat démontre que les espèces réactives de l’oxygène, y compris les anions superoxyde, sont produites par E. coli et régulées pendant les stades de croissance bactérienne. Le superoxyde est produit par les bactéries dans leur phase exponentielle de croissance et est dégradé lorsqu’elles atteignent leur phase stationnaire. Ces travaux fournissent également des informations sur le contrôle de ces molécules lorsque les bactéries sont organisées sous forme de biofilm. Les superoxydes ne sont pas produits dans l’ensemble du biofilm, mais ce dernier peut créer des microenvironnements caractérisés par des concentrations distinctes de superoxydes. Ce travail démontre également que dans nos conditions d’étude, le superoxyde scontribue à l’oxydation du manganèse pour former des nanoparticules sur les surfaces bactériennes et dans les EPS. En conséquence, E. coli est capable, dans certaines conditions et pour certaines souches, d’oxyder le MnII et de produire des phases minérales oxydées de Mn. Les espèces réactives de l’oxygène sont présentes naturellement dans l’environnement mais la présence d’organismes vivant permet de contrôler leurs concentrations relatives. L’activité oxydante des biofilms pour le MnII est renforcée par la présence de lumière confirmant le rôle des espèces réactives de l’oxygène dans cette oxydation. La distribution spatiale des nanoparticules de Mn oxydé dépend de l’exopolymère sécrété et suggère donc que l’emplacement de la minéralisation est régi par la nature des EPS. Ces résultats sont confirmés par des expériences de micro- scopie électronique in situ en cellule liquide qui mettent en évidence le rôle de la densité des sites fonctionnalisés chargés sur la localisation, la morphologie et la cinétique de la formation des minéraux de manganèse.

The aim of this PhD work was to determine what are the local physico-chemical factors that trigger the precipitation of manganese in biofilms using three mutants of Escherichia coli MG1655 and two of E. coli 1094 that produce different types of EPS. This work has shown that E. coli MG1655 is able to oxidize MnII by a yet unknown mechanism. We propose that this process is driven by superoxide anions produced by the bacteria and released in the biofilm porosity. We have shown that the strains of E. coli studied here produced superoxide anions and that globally biofilms were scavenging these reactive oxygen species. More specifically, we propose that in the biofilm porosity, superoxyde is produced by bacteria in their log phase, and scavenged in their late stationary phase. In a biofilm form, superoxides are also locally sequestrated in the porosity providing microen- vironments with distinct superoxide concentrations. The oxidative activity is enhanced under light exposure, confirming the role of ROS in the mechanism. Spatial distribution of the formed oxidized Mn-rich nanoparticles is dependent on the exopolymer secreted and therefore suggests that the location of mineralization is governed by the nature of EPS. Such results are further confirmed using in situ experiments by transmission electron mi- croscopy in a liquid cell highlighting the role of the density of charged functionalized sites on mineral localization, morphology and formation kinetics. These latter results bring new perspectives towards the identification of transient species that can direct mineralization on organic polymers and cell surface.