Biominéralisation des sulfures métalliques par les bactéries magnétotactiques

Metal sulfide biomineralization by magnetotactic bacteria

• Auteur / Autrice : Yeseul Park
• Direction : Damien Faivre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences Chimiques
• Date : Soutenance le 01/07/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Marseille ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biosciences et biotechnologies d'Aix-Marseille - CEA Cadarache (Bouches-du-Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Virginie Chamard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Carrière, Catherine Berthomieu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luca Bertinetti, Karine Alain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bactéries sulfato-réductrices

Sulfures de cuivre

Biominéralisation

Mots clés libres

Biominéralisation biologiquement contrôlée

Biominéralisation intracellulaire

Sulfure de cuivre

Sulfures métalliques

Bactéries magnétotactiques

Bactéries sulfato-Réductrices

Biologically-Controlled biomineralization

Intracellular biomineralization

Copper sulfide

Metal sulfides

Magnetotactic bacteria

Sulfate-Reducing bacteria

Résumé

La biominéralisation de sulfures métalliques est observée tant dans des cultures microbiennes que dans la nature. Cependant, seulement quelques cas ont été définis comme étant des processus biologiquement contrôlés comme cela est le cas pour la greigite produite par les bactéries magnétotactiques. Pendant ma thèse, j'ai découvert un nouveau type de biominéralisation intracellulaire de sulfure métallique en étudiant l'impact du cuivre sur la biominéralisation de la greigite par la bactérie Desulfamplus magnetovallimortis BW-1.Le biominéral que j'ai identifié a une structure et une organisation cristalline originales. Les particules sont de morphologie sphérique ou ellipsoïdale et composées de sous-grains de 1 à 2 nm de sulfure de cuivre hexagonal qui reste dans un état métastable. Les particules sont situées dans le périplasme, et sont entourées d'une substance organique. Sur la base de ces observations, j'ai conclu que le biominéral est produit et conservé grâce à un contrôle biologique. En conséquence, j'ai mené des études de protéomique pour trouver des protéines associées au processus qui ont mis à jour deux protéines périplasmiques, une protéine résistante aux métaux lourds et une protéase de type DegP, qui fonctionnent probablement ensemble pour réagir au stress causé par le cuivre.Une telle biominéralisation intracellulaire est spécifique à BW-1et n'est initiée que par les ions cuivre, mais pas par d'autres ions métalliques comme le nickel, le zinc ou le cobalt. Mes recherches de doctorat révèlent donc des caractéristiques inconnues de la biominéralisation des sulfures métalliques, en particulier au sein des bactéries magnétotactiques.

Biomineralization of metal sulfides has been broadly observed in microbial cultures and in nature. However, only a few cases have been reported as biologically-controlled processes, such as greigite produced by magnetotactic bacteria. I discovered a new type of intracellular metal sulfide biomineralization, while studying the impact of copper on greigite biomineralization by the magnetotactic bacterium Desulfamplus magnetovallimortis strain BW-1.The newly discovered metal sulfide biominerals are nanoscopic particles and have an interesting crystal structure and organization. These spherical or ellipsoidal particles are composed of 1-2 nm-sized sub-grains of hexagonal copper sulfide that remains in a metastable state. The particles are located in the periplasmic space, surrounded by an organic substance. Based on these observations, it was concluded that the biomineral produced and conserved is a result of biological control. Proteomics studies with cellular and particulate samples identified several proteins associated with the process. The initial result showed that two periplasmic proteins, a heavy metal resistant protein, and a DegP-like protease, are likely working together to react to the envelope stress caused by copper. Such intracellular biomineralization is organism-specific and only initiated by the increase of copper ions, but not by other metal ions like nickel, zinc, or cobalt. Overall, my work reveals unknown features of metal sulfide biomineralization, specifically within magnetotactic bacteria.