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 : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 04/12/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et Dynamique des Systèmes Vivants
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie intégrative de la cellule (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• 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-....)
• Jury : Président / Présidente : Olga Soutourina
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karine Alain, Alexandre Gelabert, Anne Godfroy, Soufian Ouchane, Anaïs Cario
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karine Alain, Alexandre Gelabert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cheminées hydrothermales

Archéobactéries

Microorganismes des milieux extrêmes

Minéralisation (biologie)

Thermococcales

Mots clés libres

Biominéralisation

Hyperthermophiles

Thermococcales

Fumeurs noirs

Biomineralization

Hyperthermophiles

Thermococcales

Black smokers

Résumé

Les Thermococcales sont des archées réductrices de soufre composant une partie majeure de la biodiversité des parties les plus chaudes des cheminées hydrothermales appelés “fumeurs noirs”. Cet environnement extrême est caractérisé par de forts gradients physicochimiques et principalement composé de minéraux de sulfures de fer tels que la pyrite (FeS₂). Un possible mécanisme d'adaptation à ces conditions extrêmes serait la minéralisation de sulfures de fer biologiquement induite par les Thermococcales. Cette biominéralisation permettrait de détoxifier les fortes concentrations de fer émanant des fumeurs noirs. Ma thèse a pour objectif de comprendre le rôle de la biominéralisation dans un environnement hautement minéralisation, et d'approfondir notre compréhension de ses mécanismes moléculaires. Je propose un modèle impliquant la minéralisation d'une part de la population cellulaire au profit des survivantes, protégées des flux hydrothermaux toxiques. Pour confirmer cette hypothèse, mes résultats montrent que les Thermococcales induisent une précipitation plus rapide du fer dissous par rapport aux conditions abiotiques. Tandis qu'une partie de la population minéralise en pyrite, les survivantes montrent un profil transcriptomique orienté vers la réparation de l'ADN et la détoxification de métaux lourds. Je détermine plus précisément le rôle des cellules minéralisées dans ce système putatif, en suggérant que la biominéralisation permet aux Thermococcales d'endurer des hautes concentrations en fer par son immobilisation. Les cellules survivantes profitent ainsi du sacrifice d'une sous-population, et font alors face à des concentrations en fer dissous moins élevées. Le fer résiduel peut alors être détoxifié par des mécanismes plus classiques, encodés génétiquement. En parallèle de l'identification des phases minérales, l'état métabolique des cellules est suivi durant les expériences de biominéralisation. Ces expériences ont permis de montrer que la lyse massive observée à 5mM ne se manifeste pas à 1mM de FeSO₄. Grâce à différentes techniques d'imagerie, il a été possible de mettre en évidence les dommages mécaniques provoqués par le fer sous forme de nanoparticules, développant notre connaissance sur les mécanismes de toxicité du fer.

Major inhabitants of the hottest parts of deep-sea hydrothermal vents, Thermococcales are sulfur-reducing archaea that have adapted to this extreme environment. Characterized by steep physicochemical gradients, these vents release heavy-metal enriched fluids. One putative survival mechanism involves iron sulfide mineralization by Thermococcales, which could help them deal with iron toxicity. This thesis aims to understand the role of biomineralization (BM) in a highly mineralizing environment, and further our understanding of its molecular mechanisms. I propose a model where mineralized cells shield part of the population from transient flushes of toxic hydrothermal fluids. To confirm this hypothesis, my results show that Thermococcales induce a faster precipitation of dissolved iron (dFe) compared to abiotic conditions. As a part of the population is encrusted in pyrite, the remaining living cells show a gene expression profile oriented towards DNA repair and heavy-metal detoxification. I further define the role of the mineralizing cell in this putative survival mechanism, suggesting this BM process allows Thermococcales to endure high iron concentration through metal immobilization. The remaining live cells are then more likely to survive, with manageable dFe concentrations dealt with classical iron detoxification mechanisms. In parallel to mineral phases identification, the metabolic state of cells was monitored during the mineralization process. This experiment shows that iron-induced damages were only observable at the cell level at 1mM FeSO₄, not at the population level. This contrasts with previous experiments with concentration of 5mM FeSO₄ that induced massive cell lysis. Through imaging experiments, it was possible to observe the mechanical damage caused by iron nanoparticles, adding to the understanding of toxicity beyond the chemical damage they cause.