Vers la compréhension des mécanismes de formation des granules de carbonate de calcium intracellulaires chez les cyanobactéries par le développement de leur génétique

Towards understanding the mechanism of intracellular calcium carbonate formation incyanobacteria through the development of their genetics

• Auteur / Autrice : Monis Athar Khan
• Direction : Corinne Cassier-chauvat, Franck Chauvat
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et Dynamique des Systèmes Vivants
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : I2BC - Institut de Biologie Intégrative de la Cellule
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-....)

Mots clés

Mots clés libres

Cyanobactéries

Biominéralisation intracellulaire

Carbonate de calcium

Calcyanine

CRISPR/Cas12a

Cyanobacteria

Intracellular biomineralization

Calcium carbonate

Calcyanin

CRISPR/Cas12a

Résumé

Les cyanobactéries sont des microorganismes photosynthétiques très divers qui présentent un grand intérêt pour la recherche fondamentale et appliquée. Elles colonisent la plupart des biotopes des eaux et des sols, et jouent un rôle crucial dans les cycles géochimiques de notre planète. Elles sont considérées comme le plus ancien phylum ayant façonné l'atmosphère oxygénique de notre planète qu'elles continuent à renouveler, ainsi que comme les ancêtres du chloroplastedes plantes.Les cyanobactéries captent l'énergie solaire pour faire fonctionner alimenter leur métabolisme photosynthétique, qui fixe de grandes quantités de carbone (CO2) et d'azote inorganique sous forme de biomasse qui est à la base de la chaîne alimentaire. Les cyanobactéries ont également contribué massivement à la formation de dépôts de carbonate (séquestration du CO2 et du Ca) au cours de l'histoire géologique de notre planète. Récemment, on a découvert que des espèces cyanobactériennes phylogénétiquement diverses peuvent former à l'intérieur des cellules des carbonates de calcium amorphes (iACC) en séquestrant le CO2 et le calcium dans un micro-compartiment. Cependant, les mécanismes moléculaires de la biominéralisation des iACC et de son contrôle génétique restent inconnus. En utilisant une approche bioinformatique, nos collaborateurs ont identifié un gène candidat, appelé ccyA, probablement impliqué dans la formation des iACC. Ce gène est présent dans toutes les cyanobactéries formant des iACC et absent du génome des autres cyanobactéries. En outre, ccyA est également intéressant car il code une protéine orpheline abritant de nouveaux domaines structuraux. La thèse vise à identifier la fonction in vivo du gène ccyA en utilisant une approche génétique dans deux ou trois cyanobactéries unicellulaires formant des iACC sélectionnées sur la base des critères suivants. La capacité de ces cyanobactéries rapporteuses à être manipulées en laboratoire (croissance facile en milieu liquide et solide) ; la position dispersée dans le cytoplasme ou la localisation des granules iACC (au niveau du milieu et/ou des pôles des cellules) ; et la séquences en acides aminés des domaines intéressants des protéines CcyA. L'étudiant sera impliqué dans l'analyse génétique de la protéine CcyA, en utilisant les outils génétiques développés dans notre laboratoire. Il/elle construira et analysera divers mutants de délétion ou portant des mutations dirigées de CcyA, et des souches surproduisant la protéine avant ou après la fusion translationnelle avec des protéines fluorescentes reporteurs pour analyser le rôle de CcyA, et l'influence des conditions environnementales sur sa localisation sub-cellulaire. L'étudiant utilisera également diverses techniques pour analyser l'influence des conditions environnementales sur la formation et la composition du microcompartiment englobant les granules de carbonate. L'étudiant participera également à la recherche de protéines supplémentaires impliquées dans ce processus de biominéralisation en utilisant diverses techniques génétiques (bi-hybrides) et biochimiques.

Cyanobacteria are widely diverse photosynthetic micro-organisms that are of high interest for basic and applied research. They colonize most aquatic and soils biotopes, and play a crucial role in the geochemical cycles of our planet. They are regarded as the oldest phylum that shaped the oxygenic atmosphere of our planet, which they continue to renew, as well as the ancestors of the plant‐chloroplast. Cyanobacteria capture solar energy to power up their efficient photoautotrophic metabolism, which fixes huge amounts of inorganic carbon and nitrogen into an enormous biomass that supports a large part of the food chain. Cyanobacteria have also massively contributed to the formation of carbonate deposits (sequestration of CO2 and Ca) over the geological history. Recently, it has been discovered that phylogenetically diverse cyanobacterial species can form intracellular amorphous calcium carbonates (iACC) by sequestrating CO2 and calcium into a micro-compartment. However molecular mechanisms of iACC biomineralization and its genetic control remain unknown. Using a bioinformatic approach, our collaborators identified a candidate gene, named ccyA, likely involved in the iACC formation. This gene is present in all iAAC-forming cyanobacteria and absent in the genome of the other cyanobacteria. Furthermore, ccya is also interesting in encoding an orphan protein harbouring new structural protein domains. The thesis aims at identifying the in vivo function of the ccyA gene by using a genetic approach in two or three iACC-forming unicellular cyanobacteria selected on the basis of the following criterions. The ability of these reporter cyanobacteria to be manipulated in the laboratory (easy growth in liquid and on solid media); the scattered position or the localisation of the iACC granules (at the medium and/or the poles of the cells); and the composition (amino-acids sequences) of the interesting CcyA protein domains. The student will be involved in the genetic analysis of the CcyA protein, using the genetic tools developed in our laboratory. She/he will construct and analyze various deletion and site-directed mutants of ccyA, and strains overproducing the CcyA protein before or after translational fusion with fluorescent reporter proteins to analyse the role of CcyA, and the influence of the environmental conditions on the sub-cellular localization of CcyA. The student will also use various techniques to analyze the influence of the environmental conditions on the formation and composition of the microcompartment encompassing the iACC granules. The student will also participate in the search of additional proteins involved in this biomineralization process using various genetics (two-hybrid) and biochemical techniques.