Production bactérienne d’éthers lipidiques : Implications biogéochimiques, (paléo)environnementales et évolutives – BAGEL

Le projet BAGEL implique 3 partenaires complémentaires et combine un ensemble exceptionnel de méthodes (microbiologie, chimie des lipides, microscopie électronique, protéomique, phylogénomique, bioinformatique) pour étudier en détails des souches de bactéries sans précédent, capables de produire des éthers de glycérol non-isopréniques, identiques à ceux synthétisés par des bactéries hyperthermophiles. La biomasse bactérienne, obtenue dans diverses conditions de croissance (variations de paramètres physico-chimiques du milieu de culture) grâce à des cultures de souches pures de bactéries anaérobies, est analysée en détails par des approches de chimie analytique, et de microscopie électronique afin de comprendre l'intérêt écophysiologique des éthers de glycérol. L'analyse et la comparaison des génomes de souches capables de produire ou non des éthers de glycérol doit permettre d'identifier des gènes candidats impliqués dans la biosynthèse de ces lipides particuliers.

es premiers résultats obtenus après 6 mois de projets sont très encourageants et laissent entrevoir des perspectives très prometteuses pour le projet. Les études sont en plein développement mais quelques résultats probants indiquent déjà : - des voies de biosynthèse originales des éthers de glycérol bactériens, montrant des similitudes avec les cellules eucaryotes; l'implication des éthers de glycérol dans l'adaptation des cellules bactériennes aux variations de salinité, de pH et de température; la définition d'un nouvel indice basé sur les éthers de glycérol bactériens permettant de reconstituer les températures dans les environnements anciens (à partir des lipides préservés dans les sédiments); l'assemblage et l'annotation du premier génome de bactérie non-thermophile capable de produire des éthers de glycérol. L'intérêt et la pertinence du projet BAGEL ont permis l'obtention de 2 bourses de recherche supplémentaires, l'une ministérielle, l'autre Européenne, pour le financement d'un doctorant et d'un post-doctorant qui travailleront à temps plein sur le projet BAGEL.

Les résultats obtenus à ce jour concernent divers aspects fondamentaux de la biosynthèse et des modes de formation des éthers de glycérol chez les bactéries. Certaines applications sont envisagées dans le cadre d'études biogéochimiques et (paléo)environnementales, notamment l’utilisation de certains éthers de glycérol produits des bactéries mésophiles en tant qu’indicateurs des conditions environnementales passées.

Rapport de Master 2 (2013), Arnauld Vinçon-Laugier : Influence des paramètres environnementaux et du substrat de croissance sur la composition lipidique de bactéries mésophiles.

Les 3 domaines de la vie sur Terre incluent les 2 groupes de procaryotes Archaea et Bacteria dont la distinction repose, notamment, sur la composition chimique des membranes cellulaires. Les lipides bactériens (et d’eucaryotes) sont généralement constitués d’acides gras linéaires estérifiés à une molécule de glycérol (esters de glycérol) tandis que les lipides membranaires des Archaea sont constitués de chaînes carbonées isopréniques liées au glycérol par des liaisons éthers (éthers de glycérol isopréniques). Les lipides de Bacteria et d’Archaea différent également par la stéréochimie de la molécule de glycérol et par la nature du groupement polaire lié au glycérol. Ces différences de structures confèrent des propriétés physico-chimiques différentes aux membranes des Bacteria et des Archaea et ont des implications en termes d’écologie et d’évolution. Elles sont considérées comme très anciennes dans l’évolution de la vie sur la Terre.
Les éthers de glycérol non-isopréniques sont une exception à ces distinctions chimiques car ils possèdent une intrigante combinaison de caractéristiques structurales de Bacteria et d’Archaea. Des composés possédant une fonction éther et une fonction ester (monoéther/monoester de glycérol ou GMM) ont été détectés chez des bactéries aérobies et anaérobies et sont communs chez les eucaryotes (souvent appelés “plasmalogénes”) où ils peuvent avoir d’importantes activités biologiques. L’existence de diéthers de glycérol non-isopréniques (avec deux fonctions éther ou GDD) est encore plus remarquable mais reste limitée à quelques bactéries (hyper)thermophiles et à de rares planctomycètes.
Cette présence limitée de GDD non-isopréniques dans des souches de bactéries contraste avec leur large distribution et leur diversité structurale dans les écosystèmes non-extrêmes actuels et anciens (datant de plusieurs millions d’années). L’origine biologique de GDD non-isopréniques dans ces écosystèmes reste spéculative et leurs modes de formation sont inconnus, limitant fortement les interprétations liées à leur détection.
Contrairement aux Archaea, très peu d’informations sont actuellement disponibles concernant la biosynthèse et le rôle physiologique des GDD non-isopréniques chez les Bacteria. Les raisons de leur existence sont également intrigantes. Représentent-ils une adaptation à des conditions environnementales particulières (extrêmes)? Si c’est le cas pourquoi sont-ils omniprésents dans les environnements non-extrêmes? La genèse évolutive des lipides membranaires reste obscure, et les lipides sont souvent omis dans les modèles d’évolution de la vie. L’identification de chainons manquants dans l’évolution du métabolisme des éthers de glycérol bactériens pourrait aider à élucider certains détails des premières étapes de l'évolution de la vie cellulaire.
Le projet BAGEL repose sur des résultats préliminaires encourageants, obtenus dans le cadre d’un projet exploratoire financé en 2011 par l’INSU (INTERRVIE). Il implique 3 partenaires complémentaires et combine un ensemble exceptionnel de méthodes (microbiologie, analyse moléculaire et isotopique des lipides, microscopie électronique, protéomique, phylogénomique, bioinformatique) pour étudier en détails des souches mésophiles de bactéries sulfato-réductrices sans précédent, capables de produire des (di)éthers de glycérol non-isopréniques (GMM et GDD) identiques à ceux produits par des bactéries thermophiles. Le projet devrait accroitre considérablement nos connaissances sur la biosynthèse, les modes de formation (distributions qualitative et quantitative en fonction des conditions environnementales), le rôle physiologique, et l’histoire évolutive des éthers lipidiques chez les bactéries. Les résultats du projet pourraient avoir des implications majeures dans des disciplines fondamentales comme la Microbiologie Environnementale, la Biogéochimie, la Géobiologie et la Biologie Evolutive, mais aussi potentiellement (à plus long terme) en Biotechnologie et en Biomédecine.