Analyse in vivo du rôle de protéines conservées chez organismes photosynthétiques dans les processus d'acclimatation aux conditions environnementales en utilisant la cyanobactérie modèle Synechocystis PCC 6803

In vivo analysis of the role of conserved proteins in photosynthetic organisms in acclimation processes to environmental conditions using the model cyanobacterium Synechocystis PCC 6803

• Auteur / Autrice : Pathomchai Dindaeng
• Direction : Corinne Cassier-chauvat
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biotechnologies
• Date : Inscription en doctorat le 01/02/2022
• 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

Mots clés

Mots clés libres

Acclimatation pour la photosynthèse

Synechocystis PCC6803

Ape1

Tlp15.2

Photosynthetic acclimatation

Synechocystis PCC6803

Ape1

Tlp15.2

Résumé

Les cyanobactéries ont "inventé" la photosynthèse oxygénique il y a environ trois milliards d'années et sont considérées comme les ancêtres du chloroplaste des algues et des plantes. Ce processus utilise l'énergie solaire pour la transformation de la matière minérale en matière organique, base de la chaine alimentaire. Il joue un rôle très important dans les cycles géochimiques de la planète puisqu'il permet la capture du CO2 et la production de di-oxygène (O2) qui est nécessaire à la biosphère et notamment aux animaux et humains (respiration). A la base de ce processus énergétique on trouve deux complexes membranaires appelés photosystèmes (PSI et II) très conservés des cyanobactéries aux plantes. La structure et la fonction des photosystèmes ainsi que leur disposition dans les membranes photosynthétique (thylakoïdes) s'adaptent constamment aux changements des conditions environnementales notamment l'intensité et la qualité de la lumière, la température, la concentration en CO2 ou en azote disponible. Chez les organismes photosynthétiques des mécanismes de régulation leur permettent de s'acclimater et de maintenir leurs performances face aux stress environnementaux. La compréhension de ces processus biologiques est fondamentale dans un contexte de changement climatique et pour l'amélioration future de la capture du CO2 par les organismes photosynthétiques (production de biomasse pour l'alimentation etc..) Des cyanobactéries aux plantes, la composition et les activités catalytiques des principaux complexes protéiques de l'appareil photosynthétique est très conservés. Ce sujet de thèse s'effectuera dans le cadre d'un projet ANR Revelorg et consistera à améliorer les connaissances sur les mécanismes moléculaires d'acclimatation qui ont été conservés au cours de l'évolution chez une cyanobactérie modèle unicellualire (de ce fait on s'affranchit des mécanismes de diiférenciation cellulaire, des l'age des cultures etc... Par une combinaison d'approches in vivo et in vitro, le rôle encore méconnu de deux protéines qui ne participent pas à l'activité photosynthétique per se et conservées chez les algues et les plantes sera analysé en détail chez la cyanobactérie modèle unicellulaire Synechocystis PCC 6803 qui possède un petit génome séquencé, génétiquement manipulable grâce aux stratégies et vecteurs qui ont été développés dans notre équipe (Biologie et Biotechnologie des Cyanobactéries). Ces protéines sont : - APE1 : Acclimatation of Photosynthesis to the Environment 1 (protéine identifiée au départ chez l'algue Chlamydomonas pour être impliquée dans l'acclimatation, mais de fonction inconnue) - TLP15.2 Thylakoid Lumenal Protein (protéine conservée dont la fonction n'a pas été analysée jusqu'à présent). 1° Des simples et double mutants de délétion (des gènes codants pour ces protéines (knockout mutants; remplacement du gène par une cassette de résistance à un antibiotique ainsi que des mutants de surexpression (constitutive ou conditionnelle) seront construits (Méthodes de biologie moléculaires et transformations) et leurs phénotypes analysés en détails : - croissance dans diverses conditions environnementales (lumière, température, concentration en CO2 ou source d'azote) - analyse des flux photosynthétiques en collaboration avec des collègues biophysiciens qui participent au projet ANR. Analye de la photosynthèse linéaire et cyclique. - analyse de la production d'espèces réactives de l'oxygène - composition de l'appareil photosynthétique (Biochimie, Western blot…protéomique) et structure des thylakoides. Formations des formes oligomériques en réponses à des stress des protéines étudiées. 2° dans un deuxième temps des expériences de complémentations fonctionnelles seront réalisées. Les versions des gènes hétérologues d'algues (Chlamydomonas) ou de plantes (Arabidospsis) seront introduits dans la souche sauvage ou dans les divers mutants de délétions et leurs phénotypes seront analysés. Ce qui permettra d'identifier les fonctions conservées au cours de l'évolution. Eventuellement, des mutants de gènes codant pour des protéines partenaires identifiées par nos collègues seront construits et leurs phénotypes analysés. 3°° une analyse structure fonction sera entreprise notamment en créant des mutations des résidus conservés notamment des arginines (souvent impliquées dans de interactions avec d'autres protéines ou sur la formation d'oligomères) ou cystéines (régulation redox) conservés . Les résultats obtenus serviront également pour faire des inférences sur les mécanismes d'acclimatation chez les algues et les plantes

Cyanobacteria "invented" oxygenic photosynthesis about three billion years ago and are considered to be the ancestors of the chloroplast in algae and plants. This process uses solar energy to transform mineral matter into organic matter, the basis of the food chain. It plays a very important role in the geochemical cycles of the planet since it allows the capture of CO2 and the production of di-oxygen (O2) which is necessary to the biosphere and in particular to animals and humans (respiration). At the base of this energy process are two membrane complexes called photosystems (PSI and II) that are highly conserved from cyanobacteria to plants. The structure and function of the photosystems as well as their arrangement in the photosynthetic membranes (thylakoids) are constantly adapting to changing environmental conditions such as light intensity and quality, temperature, CO2 concentration or available nitrogen. In photosynthetic organisms, regulatory mechanisms allow them to acclimate and maintain their performance faceing environmental stress. Understanding these biological processes is fundamental in the context of the climate change and for the future improvement of CO2 capture by photosynthetic organisms (production of biomass for food, etc.) From cyanobacteria to plants, the composition and catalytic activities of the main protein complexes of the photosynthetic apparatus is highly conserved. This thesis will be carried out within the framework of an ANR Revelorg project and will consist in improving our knowledge of the molecular mechanisms of acclimatisation that have been conserved during evolution in a unicellular model cyanobacterium (thus freeing us from the mechanisms of cellular diiferentiation, the age of the cultures, etc.). Through a combination of in vivo and in vitro approaches, the role of two proteins that are not involved in photosynthetic activity per se and that are conserved in algae and plants will be analysed in detail in the unicellular model cyanobacterium Synechocystis PCC 6803, which has a small sequenced genome that can be genetically manipulated using strategies and vectors that have been developed in our team (Cyanobacterial Biology and Biotechnology). These proteins are : - APE1: Acclimation of Photosynthesis to the Environment 1 (protein initially identified in the alga Chlamydomonas to be involved in acclimation, but of unknown function) - TLP15.2 Thylakoid Lumenal Protein (conserved protein whose function has not been analysed to date). 1° Single and double deletion mutants (of the genes coding for these proteins; knockout mutants; replacement of the gene by an antibiotic resistance cassette as well as overexpression mutants (constitutive or conditional) will be constructed (Molecular biology methods and transformations) and their phenotypes analysed in detail: - growth under various environmental conditions (light, temperature, CO2 concentration or nitrogen source) - analysis of photosynthetic fluxes in collaboration with biophysical colleagues participating in the ANR project. Analysis of linear and cyclic photosynthesis. - analysis of the production of reactive oxygen species - composition of the photosynthetic apparatus (biochemistry, Western blot...proteomics) and structure of thylakoids. Formation of oligomeric forms in response to stresses in the proteins studied. 2° In a second phase, functional complementation experiments will be carried out. Versions of heterologous genes from algae (Chlamydomonas) or plants (Arabidospsis) will be introduced into the wild type strain or into the various deletion mutants and their phenotypes will be analysed. This will allow the identification of evolutionarily conserved functions. Eventually, mutants of genes coding for partner proteins identified by our colleagues will be constructed and their phenotypes analysed. 3°° A structure-function analysis will be undertaken, in particular by creating mutations of conserved residues, notably arginines (often involved in interactions with other proteins or in the formation of oligomers) or cysteines (redox regulation). The results obtained will also be used to make inferences on the mechanisms of acclimatisation in algae and plants.