Régulation de la taille des bactéries

Cell-volume regulation and cell-envelope homeostasis in bacteria

• Auteur / Autrice : Yuki Kitahara
• Direction : Sven van Teeffelen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et biologie du développement
• Date : Soutenance le 22/10/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Morphogenèse et croissance microbiennes (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Structure de recherche : Institut Pasteur. Département de Microbiologie (2006-….)
• Jury : Président / Présidente : Yves V. Brun
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : John D. Helmann, Stephanie Crane Weber
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ivo Gomperts Boneca, Henrik Strahl von Schulten

Mots clés

Mots clés contrôlés

Taille cellulaire

Bactéries

Mots clés libres

Bactéries

Volume cellulaire

Surface cellulaire

Densité de masse

Enveloppe cellulaire

Bacteria

Cell volume

Cell surface

Mass density

Cell envelope

Résumé

Pendant la croissance, les cellules bactériennes doivent augmenter leur volume en réponse à la croissance de la biomasse pour maintenir leur densité de masse sèche dans un intervalle approprié. Auparavant, on pensait que la densité de masse sèche était plus ou moins constante, car elle affecte théoriquement tous les processus biologiques dans le cytoplasme. Cependant, le maintien d'une densité de masse sèche constante chez la bactérie n'avait encore jamais été étudié. De plus, la façon dont les cellules régulent la densité de la masse sèche reste totalement incertaine. Dans ma thèse, j'ai étudié comment les bactéries coordonnent la croissance du volume cellulaire et la croissance de la masse sèche au niveau de la cellule unique en utilisant la microscopie quantitative en phase et un nouveau pipeline d'analyse d'images qui s'est développé dans notre groupe. Je présente d'abord que les cellules contrôlent indirectement la densité de masse sèche, en élargissant leur surface plutôt que leur volume à la fois chez Bacillus subtilis et Escherichia coli contrairement aux hypothèses précédentes. Ce couplage surface-masse a pour conséquence intéressante que la densité de masse sèche change avec la forme de la cellule au niveau des cellules uniques. Profitant de cette relation, je montre également que la densité de masse sèche des cellules de B. subtilis peut varier de plus de 30% en ajustant génétiquement la largeur des cellules sans affecter le taux de croissance. Je démontre ensuite que l'insertion la la paroi cellulaire et la biosynthèse membranaire sont nécessaires pour un bon couplage surface-masse chez B. subtilis. Plus précisément, l'inhibition de l'un ou l'autre des processus réduit fortement l'expansion de surface tandis que la masse sèche continue d'augmenter, ce qui rompt le couplage surface-masse. D'autre part, E. coli nécessite une biosynthèse de la membrane externe autre que l'insertion de la paroi cellulaire et la synthèse de la membrane interne. En conclusion, la densité de masse sèche est indirectement régulée en couplant la croissance de surface et la croissance de la biomasse, ce principe est probablement conservé chez les bactéries. Cependant, les processus nécessaires à ce couplage sont différents chez B. subtilis et E.coli, Plus généralement, cela suggère des mécanismes différents entre les bactéries Gram-positives et Gram-négatives.

During growth, bacterial cells must increase their volumes in response to biomass growth to maintain the dry-mass density in the appropriate range. Previously dry-mass density was assumed to be roughly constant, since dry-mass density ideally affects all the biological processes in cytoplasm. However, whether cells indeed maintain dry-mass density constant has not been investigated. Furthermore, how cells regulate the dry-mass density remains completely unclear. In my thesis, I investigated how bacteria coordinate cell-volume growth and dry-mass growth at the single cell level by using quantitative phase microscopy and a new image-analysis pipeline which developed in our group. I first present that cells control dry-mass density indirectly, by expanding their surface, rather than volume in both Bacillus subtilis and Escherichia coli contrary to previous assumptions. This surface-to-mass coupling results in an interesting consequence that dry-mass density changes with cell shape at the single-cell level. Taking advantage of the relationship, I also show dry-mass density of B. subtilis cells can be varied by more than 30% by genetically tuning cell width without affecting growth speed. I next demonstrate that cell-wall insertion and membrane biosynthesis are required for proper surface-to-mass coupling in B. subtilis. More specifically, inhibiting either of the processes strongly reduces surface expansion while dry mass continues increasing, which breaks surface-to-mass coupling. On the other hand, E. coli requires outer-membrane biosynthesis other than cell-wall insertion. In conclusion, dry-mass density is indirectly regulated by coupling surface growth and biomass growth, which is probably a conserved principle in bacteria. However, B. subtilis and E.coli require different processes for the coupling, suggesting that mechanisms to coordinate surface expansion and biomass growth are diverse between Gram-positive and Gram-negative bacteria.