Interface inorganique / organique dans les biominéraux : la structure complexe de deux modèles biominéraux calcitiques, le corail rouge Corallium rubrum et la Grande Nacre de Mediterranée, Pinna nobilis

Inorganic/Organic interface in biominerals : unveiling the complex structure of two calcitic biomineral models, the red coral Corallium rubrum and the mediterranean fan mussel Pinna nobilis

• Auteur / Autrice : Benazir Khurshid
• Direction : Frédéric Marin, Jonathan Perrin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé (Dijon ; Besançon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biogéosciences (Dijon)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Vielzeuf
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Tambutté, Antonio Checa
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ingrid Weiss, Joël Gautron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microtomographie

Minéralisation (biologie)

Cambrien

Pinna nobilis

Corail rouge

Mots clés libres

Chimie d'interface

Biominéraux

Corallium rubrum

Pinna nobilis

Matrice organique

Chemistry of interface

Biominerals

Corallium rubrum

Pinna nobilis

Organic matrix

Résumé

Les biominéraux sont des structures organo-minérales produites par des systèmes vivants. Depuis le Cambrien, ils contribuent à l'adaptation des organismes vivants à différents milieux en remplissant diverses fonctions qui s'accompagnent de morphologies adaptées. L'un des objectifs de la biominéralisation est de comprendre comment les organismes « sculptent » ces morphologies complexes, notamment aux échelles nano et moléculaire. L'objectif de ce travail de thèse était de comprendre les relations complexes entre les phases organique et minérale. Pour cela, j'ai concentré mes efforts sur deux modèles calcitiques : 1) le corail rouge Corallium rubrum et 2) la coquille prismatique de la grande nacre de Méditerranée Pinna nobilis. Mes travaux portent sur deux approches différentes mais complémentaires pour comprendre le mécanisme complexe de la biominéralisation : l'une est basée sur la caractérisation physico-chimique, l'autre sur l'analyse biochimique et protéomique des matières organiques contenues dans le biominéral.Pour la caractérisation physico-chimique (Chapitre 2 de ma thèse), j'ai utilisé trois techniques d'imagerie différentes disponibles au Synchrotron-SOLEIL : la microtomographie à rayons X, l'imagerie par luminescence Deep-UV et enfin, la microscopie à génération d'harmoniques secondaires (SHG). Toutes trois ont été utilisées pour analyser le corail rouge. La microtomographie aux rayons X a mis en évidence l'évolution de la microporosité des toutes premières étapes de calcification des extrémités des branches coralliennes. L'imagerie par luminescence UV a permis de visualiser la distribution des molécules organiques dans le squelette, en particulier les protéines et les pigments ; elle a de plus souligné la présence de micro-protubérances réparties de manière hétérogène qui jouent probablement des fonctions importantes dans l'adhésion de l'épithélium au squelette. Enfin, la microscopie SHG a révélé la présence de structures radiales particulières dans le squelette, probablement dues à des alignements de molécules organiques, comme le collagène ou les pigments. Ces techniques combinées, à haute résolution, illustrent la complexité structurelle du corail rouge. Nous pensons qu'elles sont amenées à se développer dans le futur, pour l'étude d'objets naturels complexes tels que les biominéraux.La nature de la matrice organique contenue dans la couche coquillière prismatique calcitique de la grande nacre Pinna nobilis a été explorée dans le chapitre 3 de ma thèse. J'ai d'abord effectué une caractérisation biochimique de la matrice extraite de prismes et ensuite identifié l'ensemble des protéines associées à cette microstructure, par protéomique. Ce protéome est composé de centaines de protéines. L'analyse in silico a montré la diversité des fonctions moléculaires nécessaires à la construction de prismes dits ‘simples’ et a souligné le rôle-clé joué par les protéines à domaines de faible complexité. De plus, j'ai caractérisé plus spécifiquement une protéine de 11KDa que j'ai nommée accripin11, pour comprendre son rôle dans la formation des prismes. Enfin, nous avons développé une nouvelle technique en biominéralisation, laquelle a permis de cartographier l'accripine11 à la surface des prismes, avec une résolution nanométrique. Cette technique repose sur la microscopie de force atomique réalisée avec une pointe fonctionnalisée par un anticorps ciblant spécifiquement l'accripine11.En résumé, mon travail contribue à l'avancement des outils d'imagerie pour observer des structures biominérales complexes et pour mieux comprendre la distribution des matrices organiques dans ces structures. Il représente l'une des rares tentatives pour combler le fossé entre la biologie et la physique dans le domaine de la biominéralisation.

Biominerals are organo-minerals structures produced by living systems. Since the Cambrian, they contribute to the adaptation of living organisms to different environments by fulfilling a variety of combined functions that go along with adapted morphologies. One of the aims of biomineralization is to understand how organisms ''sculpt'' these complex morphologies, in particular at nano and molecular scales. The aim of this PhD work was to understand the complex relationships between the organic and mineral phases. To this end, I focused my analyses on two calcitic biomineral models: 1) the red coral Corallium rubrum and 2) the prismatic shell of the Mediterranean fan mussel Pinna nobilis. My work deals with two different – but complementary- approaches to understand the complex mechanism of biomineralization: one is based on physio-chemical characterization, the other, on biochemical and proteomic analysis of the organics contained in the biomineral.For physio-chemical characterization (Chapter 2 of my thesis), I have used three different imaging techniques available at Synchrotron-SOLEIL: X-ray microtomography, Deep-UV luminescence imaging and at last, Secondary harmonic generation (SHG) microscopy. All three were used for analyzing the red coral model. X-ray microtomography evidenced the evolution of the microporosity at the very first steps of calcification of the coral branch tips. Deep-UV luminescence imaging was used to determine the distribution of organics, particularly proteins and pigment, and pointed out the presence of heterogeneously distributed micro-protuberances that likely play important functions in epithelium adhesion to the skeleton. Finally, SHG microscopy revealed peculiar radial patterns in the red coral skeleton, that are likely due to aligned organic molecules, like collagen or pigments. These combined high-resolution techniques illustrate the structural complexity of the red coral. We believe that they will develop in the future, for studying complex natural objects, like biominerals.The nature of the organic matrix contained in the calcitic prismatic shell layer of the fan mussel Pinna nobilis was explored in Chapter 3 of my thesis. I first performed biochemical characterization of the prism-extracted matrix and further deciphered the whole set of prism-associated proteins by proteomics. This proteome is made of hundreds of proteins. In silico analysis showed the diversity of molecular functions required for constructing ‘simple’ prisms and pointed out the key-role played by proteins with low complexity domains. Furthermore, I characterized more specifically one 11KDa protein that I named accripin11, to understand its role in the prism formation process. Finally, we developed a novel technique in biomineralization that allowed localizing accripin11 on the surface of the shell prisms with a nanometric resolution. This technique relies on atomic force microscopy scanning performed with a tip functionalized with an antibody that specifically targets accripin11.In summary, my work contributes to the advancement of imaging tools to observe complex biomineral structures and to better understand the distribution of organics in these structures. It represents one of the few attempts to bridge the gap between biology and physics in biomineralization studies.