De la dynamique du 2-oxoglutarate à l'échelle de la cellule : étude par FRET d'une molécule signal pour la différenciation des hétérocystes chez Anabaena sp. PCC 7120

Application, at single-cell level, of FRET for the study of the dynamics of 2-oxoglutarate : a signal for heterocyst development in Anabaena sp. PCC 7120

• Auteur / Autrice : Hai-Lin Chen
• Direction : Cheng-Cai Zhang, Christophe Bernard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 15/09/2016
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences de la Vie et de la Santé (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie bactérienne (LCB) (Marseille) - Institut de Microbiologie de la Méditerranée (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Amel Latifi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Bernard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Partensky, Michaël Hodges

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cyanobactéries

Perception des structures

Anabaena

Mots clés libres

2-Oxoglutarate

Fret

Biosenseur

Pattern

Hétérocyste différenciation

Bruit de fond

2-Oxoglutarate

Fret

Biosensor

Pattern

Heterocyst development

Noise

Résumé

Les métabolismes du carbone et de l’azote sont étroitement coordonnés chez tous les organismes vivants en raison de l’importance de ces deux éléments dans les différents mécanismes physiologiques. Le 2-oxoglutarate (2-OG) est une molécule signal conservée chez tous les organismes et est impliqué dans la balance carbone / azote. Malgré son importance, il n’existe pas d’outil permettant de mesurer la concentration de 2-OG à l’échelle cellulaire. Pour combler cette carence, nous avons utilisé Anabaena sp. PCC 7120 pour construire un système de quantification du 2-OG in vitro et in vivo. Cette bactérie appartient au groupe des cyanobactéries qui contribuent aussi bien au cycle du carbone via la photosynthèse qu’au cycle de l’azote via leur métabolisme.Au cours de ma thèse, j’ai construit différents types de biosenseurs au 2-OG en utilisant les techniques de FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer). Ces biosenseurs sont capables de mesurer le 2-OG in vitro et permettent de le détecter in vivo en utilisant l’analyse à l’échelle de la cellule unique et la microscopie en temps réel. Nous avons découvert l’existence de variations dynamiques du 2-OG au niveau des filaments et le profil formé semble correspondre au futur profil de développent cellulaire. En raison de la conservation du rôle régulateur du 2-OG dans de nombreuses activités cellulaires, le biosenseur développé durant ma thèse pourrait être appliqué à une grande variété d’organismes dont les bactéries, les plantes, les animaux et les humains.

Carbon and nitrogen metabolisms are tightly coordinated in all living organisms because of the importance of the two elements in the physiology. 2-oxoglutarate (2-OG) is a signal conserved in all living organisms involved in the balancing between carbon and nitrogen metabolisms; however, despite its importance, it is currently impossible to measure 2-OG in each cells under different conditions when 2-OG is subject to variations Cyanobacteria contribute to global carbon cycle by oxygenic photosynthesis as well as to global nitrogen cycle through their nitrogen metabolism and in this study, we used the cyanobacterium Anabaena PCC 7120 as a model, to construct a system for the quantification of 2-OG in vitro and in vivo.. During my thesis, I took the advantages of the FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer) techniques and constructed several 2-OG biosensors that can adequately detect 2-OG levels in vitro in a quantitative manner. I tested their performance for the detection of 2-OG in vivo by using single-cell analysis and time-lapse microscopy. We found that 2-OG display dynamic changes at single-cell basis, and these variations are strongly correlated to cell differentiation activities. The 2-OG biosensors developed during my thesis can be applied in a wide range of organisms, including other bacteria, plants, animals, and human, because of the conserved roles of 2-OG in regulating a variety of cellular activities.