Analyse de la morphologie bactérienne par cryo-tomographie à rayons-X mous et cryo-microscopie électronique en transmission (à balayage)

Bacterial morphology analysis by cryo-soft X-ray tomography and cryo-(scanning) transmission electron microscopy

• Auteur / Autrice : Antoine Cossa
• Direction : Véronique Arluison, Jose Maria Carazo, Sylvain Trépout
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Universidad autonóma de Madrid
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Léon Brillouin (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....) - Centre d'imagerie multimodale (Orsay, Essonne ; 2020-....) - Biocomputing unit (Madrid)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Amélie Leforestier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Raussens, Jean-Marc Victor, Raúl Guantes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Raussens, Jean-Marc Victor

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microbiologie

Biophysique

Escherichia coli

Imagerie tridimensionnelle haute résolution

Microscopie électronique à balayage et en transmission

Mots clés libres

Cryo-SXT

Cryo-STEM

Imagerie haute résolution

Imagerie bactérienne

Biophysique

Microbiologie

Cryo-SXT

Cryo-STEM

High-resolution imaging

Bacterial imaging

Biophysics

Microbiology

Résumé

Chez les bactéries, l'ADN n'est pas séparé du reste de la cellule par une membrane, contrairement aux eucaryotes qui possèdent un noyau. Cet ADN a donc besoin d'être à la fois protégé tout en restant accessible pour permettre l'expression génétique. Cette structuration de l'ADN se fait via des protéines appelées NAPs (pour "Nucleoid Associated Protein"). Parmi ces NAPs, on trouve la protéine Hfq. Hfq est un facteur pléiotrope impliqué dans la physiologie bactérienne. Sa fonction la plus connue est de réguler des processus ARNs dépendants. Cependant, sa capacité à former une structure amyloïde lui permet d'interagir avec l'ADN, de former des ponts entre des parties éloignées de l'ADN et ainsi de le compacter fortement. Si cette propriété a pu être démontrée in vitro, les analyses in cellulo manquaient. Ce travail de thèse met en lumière les effets directs et indirects d'Hfq sur la l'état de compaction du nucléoïde. Ainsi les complexes ou les cellules ont pu être observés à l'aide de techniques de cryo-microscopie électronique en transmission (à balayage) (cryo-(S)TEM) et de cryo-tomographie à rayons-X mous (cryo-SXT). Cette dernière, est une technique d'imagerie tri-dimensionnelle qui permet de quantifier le volume et la densité du nucléoïde bactérien. Ce projet de thèse a permis de caractériser l'impact d'Hfq sur la structure de l'ADN et la morphologie bactérienne, ce qui permettra de tester in cellulo l'effet de nouveaux antibiotiques qui pourront être développés en lien avec cette propriété dans le futur.

In bacteria, DNA is not separated in the cell by a membrane, converse to eukaryotes, which have a nucleus. Therefore, DNA must be protected, while remaining accessible to allow for gene expression. The DNA structuring is achieved via proteins called NAPs (standing for "Nucleoid Associated Protein"). Among these NAPs, the Hfq protein is found. Hfq is a pleiotropic factor involved in bacterial physiology. Its best-known function is to regulate RNA-dependent processes. However, its ability to form an amyloid structure allows it to interact with DNA, to form bridges between distant parts of DNA and thus to compact it strongly. If this property was demonstrated in vitro, analyses were lacking in cellulo. This PhD work highlights the direct and indirect effects of Hfq on the compaction of the nucleoid. The complexes or the cells were observed using cryo-(scanning) transmission electron microscopy (cryo-(S)TEM) and cryo-soft X-ray tomography (cryo-SXT) techniques. The latter is a three-dimensional imaging technique that permits to quantify the volume and density of the bacterial nucleoid. This PhD project made possible to characterize the impact of Hfq on the structure of DNA and bacterial morphology, which will make it possible to test in cellulo the effects of new antibiotics, which could be developed in connection with this property in the future.