Les mécanismes moléculaires impliqués dans la biominéralisation des Thermococcales

The molecular mechanisms involved in Thermococcales biomineralization

• Auteur / Autrice : Tom Mariotte
• Direction : Jacques Oberto, Aurore Gorlas
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• 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

Biominéralisation

Hyperthermophiles

Thermococcales

Gènes liés à la biominéralisation

Vésicules

Biomineralization

Hyperthermophile

Thermococcales

Biomineralization related-genes

Vesicles

Résumé

Abondamment retrouvés au sein des cheminées hydrothermales appelés “fumeurs noirs”, les Thermococcales interagissent avec cet environnement extrême, caractérisé par de forts gradients physicochimiques et principalement composé de minéraux de sulfures de fer tels que la pyrite (FeS2). Alors que la pyrite se forme, de manière abiotique à l'intérieur des cheminées à des températures élevées (> 250°C), un important stock de FeS2 est également produit à des températures plus basses (< 150°C) par un mécanisme encore inconnu. Nous avons récemment montré, que les Thermococcales étaient capables de produire rapidement d'abondantes quantités de sulfures de fer comme la pyrite et la greigite (Fe3S4) [1]. Les vésicules de soufre produites par les Thermococcales pendant la croissance cellulaire [2] semblent fortement impliquées dans le processus de biominéralisation et ainsi dans la nature des bio-minéraux formés [3]. Ce nouveau mécanisme de biominéralisation découvert pourrait bien être une stratégie mise en place par les Thermococcales pour survivre/s'adapter dans leur environnement extrême hautement minéralisant [3]. Au laboratoire, nous étudions les paramètres physicochimiques et les mécanismes moléculaires qui influencent la formation et la nature des minéraux de sulfures de fer produits par les Thermococcales et cela afin de mieux comprendre le rôle des Thermococcales dans les cycles biogéochimiques du fer et du soufre et ainsi permettre l'identification de nouvelles biosignatures d'archées hyperthermophiles au sein d'échantillons hydrothermaux. Les principaux objectifs de la thèse seront d'étudier le rôle d'entités biologiques (vésicules) et les gènes, qui pourraient être impliqués dans le mécanisme de biominéralisation chez les Thermococcales. À ce jour, aucune information n'est disponible sur les relations entre la production de biominéraux et les gènes liés à la biominéralisation chez les Thermococcales. Le doctorant utilisera des technologies de pointe pour détecter et identifier tous les partenaires moléculaires impliqués dans le mécanisme de biominéralisation de Thermococcales. (1) La stratégie sera d'abord, d'effectuer des analyses transcriptomiques afin de déterminer les profils d'expression génique au cours du processus de biominéralisation dans différentes conditions environnementales. Les gènes candidats (c'est à dire montrant une sous-expression/surexpression élevée dans des conditions de biominéralisation) seront sélectionnés et des souches mutantes pour ces gènes seront construites afin de déterminer leur importance dans le processus de biominéralisation. Thermococcus kodakarensis sera l'organisme de choix puisque les outils génétiques pour cet archée hyperthermophile sont bien établis et largement utilisés et développés dans notre laboratoire. Le doctorant caractérisera ainsi en profondeur les voies métaboliques en relation avec la production de minéraux de fer par T. kodakarensis. (2) En tant que deuxième stratégie d'étude des gènes potentiels impliqués dans le processus de biominéralisation, le doctorant se concentrera sur les gènes liés au fer (c'est-à-dire les gènes codant pour les ferritines, les transporteurs de fer et les pompes à efflux en raison de leur importance potentielle dans le processus de biominéralisation du fer). (3) Le doctorant déterminera avec précision les rôles des vésicules dans le processus de biominéralisation. Il testera si des mutations dans la production de vésicules affectent les étapes de biominéralisation et/ou affectent la formation des minéraux de fer. [1] Greigite nanocrystals produced by hyperthermophilic archaea of Thermococcales order. Gorlas A, Jacquemot P, Guigner JM, Gill S, Forterre P, Guyot F. PLoS One (2018) 13:e0201549. [2] Sulfur vesicles from Thermococcales: a possible role in sulfur detoxifying mechanisms. Gorlas A, Marguet E, Gill S, Geslin C, Guigner JM, Guyot F, Forterre P. Biochimie. (2015) 118:356-64. [3] Precipitation of greigite and pyrite by Thermococcales: adaptation to Fe- and S-rich environments? Gorlas A, Morey L, Mariotte T, Truong C, Bernard S, Guigner JM, Oberto J, Baudin F, Landrot C, Baya C, Le Pape P, Morin M, Forterre P, Guyot F. Environmental Microbiology (in revision).

Abundantly found within hydrothermal vents called “black smokers”, Thermococcales interact with this extreme environment, characterized by strong physicochemical gradients and mainly composed of iron sulfide minerals such as pyrite (FeS2). While pyrite is formed abiotically inside the chimneys at high temperatures (> 250°C), a large stock of FeS2 is also produced at lower temperatures (< 150°C) by a still unknown mechanism. We have recently shown, that Thermococcales are able to rapidly produce abundant amounts of iron sulfides such as pyrite and greigite (Fe3S4) [1]. The sulfur vesicles produced by Thermococcales during cell growth [2] seem to be strongly involved in the biomineralization process and thus in the nature of the bio-minerals formed [3]. This newly discovered biomineralization mechanism could be a strategy set up by Thermococcales to survive/adapt in their highly mineralizing extreme environment. In the laboratory, we are studying the physicochemical parameters and molecular mechanisms that influence the formation and nature of iron sulfide minerals produced by Thermococcales in order to better understand the role of Thermococcales in the biogeochemical cycles of iron and sulfur and thus allow the identification of new biosignatures of hyperthermophilic archaea within hydrothermal samples. The main part of the thesis will be to study the role of the biological entities (i.e vesicles) and genes implied in the Thermococcales biomineralization mechanism. To date, no information is available about the relationships between production of biominerals and putative biomineralization related-genes in Thermococcales. The PhD student will employ state of the art technologies to detect and identify all molecular partners involved in Thermococcales biomineralization mechanism. (1) The strategy will be first, to perform transcriptomic analyses in order to determine the gene expression profiles during the biomineralization process under different environmental conditions. Potential candidate genes (e.g showing a high subexpression/surexpression in biomineralization condition) will be detected and mutant strains for these candidate genes will be constructed to determine their importance in biomineralization process. Thermococcus kodakarensis will be the organism of choice since genetic tools for this hyperthermophilic archaeon are well established and extensively used and developed in our laboratory. The PhD student will thus characterize in-depth the metabolic pathways in relation with the production of iron minerals by T. kodakarensis. (2) As a second strategy to study potential genes involved in biomineralization process, the PhD student will focus on iron-related genes (i.e genes encoding ferritins, iron transporters and efflux pumps because of their potential importance in iron biomineralization process). (3) The PhD student will precisely determine the roles of vesicles into the biomineralization process. He/She will test if mutations in vesicles production affect biomineralization steps and/or affect the formation of the iron minerals. [1] Greigite nanocrystals produced by hyperthermophilic archaea of Thermococcales order. Gorlas A, Jacquemot P, Guigner JM, Gill S, Forterre P, Guyot F. PLoS One (2018) 13:e0201549. [2] Sulfur vesicles from Thermococcales: a possible role in sulfur detoxifying mechanisms. Gorlas A, Marguet E, Gill S, Geslin C, Guigner JM, Guyot F, Forterre P. Biochimie. (2015) 118:356-64. [3] Precipitation of greigite and pyrite by Thermococcales: adaptation to Fe- and S-rich environments? Gorlas A, Morey L, Mariotte T, Truong C, Bernard S, Guigner JM, Oberto J, Baudin F, Landrot C, Baya C, Le Pape P, Morin M, Forterre P, Guyot F. Environmental Microbiology (in revision).