Conditions de formation des phases minérales intracellulaires chez les bactéries magnétotactiques sulfato-réductrice

Formation conditions of intracellular mineral phases in sulfate-reducing magnetotactic bacteria

• Auteur / Autrice : Elsa Turrini
• Direction : Christopher T. Lefèvre, Caroline Monteil
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie-Santé - Spécialité Microbiologie
• Date : Inscription en doctorat le 01/03/2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences de la Vie et de la Santé (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : BIAM - Institut de Biosciences et Biotechnologies d'Aix-Marseille - CEA/CNRS/AMU
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : BIAM - BEAMM - Biodiversité, Écologie et Adaptation des Microorganismes Magnétotactiques

Mots clés

Mots clés libres

Bactérie magnétotactiques

Sulfato-réduction

Biominéralisation

Magnetotactic bactéria

Sulfate-reduction

Biomineralization

Résumé

Les bactéries synthétisent un large éventail de précipités inorganiques intracellulaires de taille submicrométrique, de compositions et de structures chimiques diverses, appelés biominéraux. Leurs diversité, fonctions et ultrastructures ne sont pas encore entièrement décrites malgré les progrès importants réalisés en microbiologie environnementale et écologie microbienne. Les interfaces oxiques-anoxiques des sédiments marins et d'eau douce semblent particulièrement propices au développement de bactéries capables de former des biominéraux intracellulaires variés. Les modèles les mieux connus sont les bactéries magnétotactiques qui peuvent être enrichies grâce aux propriétés magnétiques des nano-cristaux de fer qu'elles synthétisent dans des vésicules spécifiques. L'exploration de ces organismes dans de nouveaux environnements aquatiques chimiquement variés (i.e. pauvres en certains macro-éléments / riches en éléments métalliques ou radionucléides) avec des techniques d'observation optimisées, révèle progressivement d'autres formes de biominéralisation et de micro-compartiments cellulaires rarement observés auparavant. Par exemple certaines bactéries accumulent des granules de carbonate de calcium, de baryum ou de magnésium tandis que d'autres accumulent du phosphate intracellulaire dans une mesure exceptionnellement élevée. L'objectif de cette thèse est 1) d'explorer et de caractériser la biodiversité des bactéries formant des biominéraux intracellulaires dans les zones dépourvues d'oxygène et réalisant la sulfato-réduction, 2) de déterminer leur biologie et décrire leur ultrastructure, 3) d'inférer l'histoire évolutive des différentes fonctions de biominéralisation et leur(s) rôle(s) écologique(s) et 4) de caractériser leur physiologie par des techniques dépendantes ou indépendantes de la culture. Pour cela, le candidat sera amené à réaliser des échantillonnages de sédiments dans plusieurs sites d'eau douce et d'eau de mer déjà identifiés à travers la France pour leurs propriétés atypiques (e.g. concentrations en certains éléments chimiques et matière organique, pH). Des approches de microscopie optique, confocale et électronique en transmission ou à balayage, impliquant des méthodes de tri cellulaire (single-cell sorting) seront utilisées pour la caractérisation de l'ultrastructure des microorganismes et de leur mobilité, ainsi que pour la validation de leur identité taxonomique au préalablement déterminée par des approches de biologie moléculaire. Le génome de microorganismes représentatifs des populations observées sera séquencé puis annoté pour identifier des gènes/fonctions/voies métaboliques spécifiquement associées à la formation de chaque biominéral observé (e.g. oxydes et sulfures métalliques, carbonates de métaux alcalino-terreux). Ici, la magnétoréception est un allié majeur car elle donne la possibilité de concentrer et purifier efficacement les microorganismes de l'environnement. L'ensemble de ces données permettront d'identifier les conditions nécessaires à la formation des phases minérales chez les bactéries magnétotactiques sulfato-réductrices des zone dépourvues d'oxygène.

Bacteria synthesise a wide range of intracellular inorganic precipitates of submicrometre size, diverse chemical composition and structure, known as biominerals. Despite major advances in environmental microbiology and microbial ecology, their diversity, functions and ultrastructures remain poorly understood. The oxic-anoxic interfaces of marine and freshwater sediments appear to be particularly conducive to the development of bacteria capable of forming a variety of intracellular biominerals. The best-known models are magnetotactic bacteria, which can be enriched by using their magnetic properties to synthesise iron nanocrystals in specific vesicles. The study of these organisms in new chemically diverse aquatic environments (i.e. poor in certain macro-elements / rich in metallic elements or radionuclides), using optimised observation techniques, is gradually revealing other forms of biomineralisation and cellular micro-compartments rarely observed before. For example, some bacteria accumulate calcium, barium or magnesium carbonate granules while others accumulate intracellular phosphate to an exceptionally high extent. The aim of this thesis is 1) to explore and characterise the biodiversity of bacteria forming intracellular biominerals in oxygen-deprived zones and performing sulphate reduction, 2) to determine their biology and describe their ultrastructure, 3) to infer the evolutionary history of the different biomineralisation functions and their ecological role(s) and 4) to characterise their physiology using culture-dependent or culture-independent techniques. To achieve this, the candidate will be required to carry out sediment sampling at several freshwater and seawater sites already identified throughout France for their atypical properties (e.g. concentrations of certain chemical elements and organic matter, pH). Optical, confocal and transmission or scanning electron microscopy approaches, involving single-cell sorting methods, will be used to characterise the ultrastructure of the microorganisms and their mobility, as well as to validate their taxonomic identity, previously determined by molecular biology approaches. The genome of microorganisms representative of the populations observed will be sequenced and then annotated to identify genes/functions/metabolic pathways specifically associated with the formation of each biomineral observed (e.g. metal oxides and sulphides, alkaline earth metal carbonates). Magnetoreception is a major ally here, as it offers the possibility of efficiently concentrating and purifying microorganisms from the environment. Taken together, these data will make it possible to identify the conditions required for the formation of mineral phases in magnetotactic sulphate-reducing bacteria in oxygen-free zones.