Décryptage de la voie photosynthétique de Halorhodospira halophila

Deciphering the photosynthetic pathway of Halorhodospira halophila

• Auteur / Autrice : Emmanuella Serwaa
• Direction : Barbara Schoepp-cothenet, Jean Alric
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie-Santé - Spécialité Microbiologie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Sciences de la Vie et de la Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : BIP - Bioénergétique et Ingénierie des Protéines
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : BIP - E9 - Evolution de la bioénergétique

Mots clés

Mots clés libres

Bactéries

Photosynthèse

Arsenic

Spectroscopie

Bioénergétique

Biochimie

Bacteria

Photosynthesis

Arsenic

Spectroscopy

Bioenergetics

Biochemistry

Résumé

Halorhodospira halophila, une bactérie phototrophe obligatoire et anaérobie stricte, est une « bactérie soufrée violette », ce qui signifie qu'elle utilise l'oxydation des composés soufrés comme donneurs d'électrons pour alimenter sa photosynthèse anoxygénique. Très peu d'informations sur la voie photosynthétique de ce membre de la famille des Halorhodospiracea sont actuellement disponibles et le projet de doctorat vise à déchiffrer son mécanisme précis. Seules trois études sur cette famille de γ-protéobactéries [D'Ermo, G. et al. (2024), Lieutaud, C. et al. (2005), Schoepp-Cothenet, B. et al. (2009)] ont été menées, esquissant le projet de modèle actuel : un transfert cyclique d'électrons a lieu entre un complexe cytochrome bc1 et un centre de réaction photosynthétique (RC), avec les transporteurs d'électrons intermédiaires comme transporteurs de protéines solubles ou liés à la membrane et un pool de ménaquinones diffusibles à la membrane (MK). Les transporteurs protéiques ne réduisent pas directement la paire spéciale de bactériochlorophylles (P) du RC mais une sous-unité tétrahémique du RC, qui à son tour réduit P. Les électrons cycliques proviennent vraisemblablement d'enzymes membranaires réduisant le pool MK. Ils sont complétés par des enzymes périplasmiques, permettant une réduction linéaire des transporteurs protéiques puis du RC. Pris ensemble, les trois travaux précédents proposent un réseau métabolique avec un haut degré de « redondance », avec de multiples transporteurs d'électrons solubles, de multiples enzymes solubles et membranaires. Une des questions est donc le rôle respectif des différents transporteurs d'électrons et enzymes. Les travaux précédents suggèrent également des propriétés inhabituelles, chez H. halophila, pour trois enzymes : le RC, le système d'oxydation du soufre Sox et l'arsénite oxydase alternative Arx [D'Ermo, G. et al. (2024), Lieutaud, C. et al. (2005), Schoepp-Cothenet, B. et al. (2009)]. Le potentiel redox très faible de la première soulève la question de sa fonction, le rôle possible de la seconde dans l'oxydation du thioarséniate la rendrait unique tandis que l'incapacité de la troisième à soutenir la croissance photosynthétique sous arsénite est remise en question. Les trois enzymes seront donc caractérisées plus en détail. Pour répondre à ces questions, le doctorant combinera plusieurs approches techniques. La première est la construction de mutants de délétion en développant un protocole inspiré de celui publié pour une souche étroitement apparentée [Hernandez-Maldonado, J. et al. (2017)] supprimant ainsi les différentes protéines et enzymes proposées comme impliquées dans le réseau photosynthétique. La seconde est l'utilisation de la spectroscopie induite par la lumière (mise en place par Pierre Joliot [Joliot, P. et al. (1980)]), sur des cellules entières de type sauvage et des délétants cultivés dans diverses conditions d'oxydation de composés. Cela permettra l'analyse cinétique détaillée de l'impact des délétions sur le processus photosynthétique. La caractérisation in vitro (évaluation du potentiel redox par spectroscopie UV-Visible, études de complémentation par spectroscopie induite par la lumière et spectroscopie EPR) de protéines produites de manière hétérologue (comme décrit dans [D'Ermo, G. et al (2024)]) donnera des informations supplémentaires pour reconstruire le métabolisme photosynthétique.

Halorhodospira halophila, an obligate phototroph and strict anaerobe, is a “purple sulfur bacterium” which means that it uses sulfur compounds oxidation as electron donors to supply its anoxygenic photosynthesis. Very little information on the photosynthetic pathway of this member of the Halorhodospiracea family is currently available and the PhD project aims to decipher its precise mechanism. Only three investigations on this γ-proteobacterial family [D'Ermo, G. et al. (2024), Lieutaud, C. et al. (2005), Schoepp-Cothenet, B. et al. (2009)] have been carried out, sketching the current draft model: a cyclic electron transfer takes place between a cytochrome bc1 complex and a photosynthetic Reaction Centre (RC), with the intermediate electron transporters as both soluble or membrane-bound protein carriers and a membrane diffusible menaquinone (MK) pool. The protein carriers do not directly reduce the bacteriochlorophyll special pair (P) of the RC but a tetrahemic subunit of the RC, that in turn reduces P. Cyclic electrons are presumably coming from membranous enzymes reducing the MK pool. They are completed by periplasmic enzymes, enabling a linear reduction of the protein carriers and then the RC. Taken together the three previous works propose a metabolic network with a high degree of “redundancy”, with multiple soluble electron carriers, multiple soluble and membranous enzymes. One of the questions is therefore the respective role of the different electron carriers and enzymes. The previous works also suggest unusual properties, in H. halophila, for three enzymes: the RC, the Sulfur OXidation system Sox and the alternative arsenite oxidase Arx [D'Ermo, G. et al. (2024), Lieutaud, C. et al. (2005), Schoepp-Cothenet, B. et al. (2009)]. The very low redox potential of the first one rises the question of its function, the possible role of the second one in oxidation of thioarsenate would make it unique while the inability of the third one to sustain photosynthetic growth under arsenite is questioning. The three enzymes will therefore be further characterized. To address these questions the PhD student will combine several technical approaches. The first one is the construction of deletion mutants developing a protocol inspired by the one published for a closely related strain [Hernandez-Maldonado, J. et al. (2017)] thus deleting the different proteins and enzymes proposed to be involved in the photosynthetic network. The second one is the use of light induced spectroscopy (set up by Pierre Joliot [Joliot, P. et al. (1980)]), on whole cells of Wild Type and deletants grown under various compounds oxidation conditions. This will allow the detailed kinetic analyze of deletions' impact on the photosynthetic process. In vitro characterization (redox potential evaluation by UV-Visible spectroscopy, complementation studies by light induced spectroscopy and EPR spectroscopy) of heterologously produced proteins (as described in [D'Ermo, G. et al (2024)]) will give additional information to reconstruct the photosynthetic metabolism.