Soutenance de thèse de Baptiste ROUMEZI

Les cyanobactéries sont des microorganismes photosynthétiques de différentes morphologies. En cas de carence en azote combiné, certaines cyanobactéries filamenteuses comme Nostoc PCC 7120 sont capables de former des cellules spécialisées dans la fixation du diazote atmosphérique, appelées hétérocystes, et retrouvées selon un motif semi-régulier toutes les 10-15 cellules végétatives. Ils fournissent un environnement favorable au fonctionnement de la nitrogénase une enzyme sensible à l’oxygène produisant de l’hydrogène comme sous-produit de réaction. Ma thèse s’articule autour de deux objectifs : l’étude de la phosphorylation du régulateur central de la différenciation HetR par la kinase Pkn22 et son rôle dans la différenciation, et l’exploration de l’exploitation des hétérocystes dans la bioproduction d’hydrogène. L’étude de HetR nous a permis de montrer que cette protéine est phosphorylée et interagit avec une Ser/Thr kinase, Pkn22. Un mutant de cette dernière présente un retard de différenciation suggérant un rôle dans les étapes précoces. Nous avons identifié un résidu Sérine spécifiquement phosphorylé en présence de Pkn22 et nous avons montré que sa phosphorylation est requise pour la différenciation. Les hétérocystes se sont révélés être un lieu propice au fonctionnement de l’hydrogénase HydA de la bactérie anaérobie Clostridium acetobutylicum. En couplant la production de l’hydrogénase et la diminution du taux d’oxygène par la cyanoglobine GlbN de Nostoc commune, nous avons pu augmenter drastiquement la production d’hydrogène. Par ailleurs la production d’hydrogène par Nostoc non recombinante s’est révélée largement stimulée par la surexpression d’une flavodiiron. La découverte d’un nouveau niveau de régulation de la différenciation par Pkn22 via la phosphorylation de HetR et la démonstration de nouveaux moyens pour augmenter la production d’hydrogène dans les cyanobactéries ouvrent de nouveaux champs de recherche aussi bien fondamentale que finalisée.

Cyanobacteria are photosynthetic microorganisms with various shapes and morphologies. In case of combined nitrogen starvation, some filamentous cyanobacteria such as Nostoc sp. PCC 7120 are able to form cells specialized in atmospheric nitrogen fixation, called heterocysts which form a semi-regular pattern of one each 10-15 vegetative cells. They provide a microoxic environment favorable to nitrogenase which is extremely sensitive to oxygen, producing hydrogen as byproduct. The aim of my work was to study the potential phosphorylation of HetR, the master regulator of differentiation by the kinase Pkn22, and the use of heterocyst as hydrogen manufactories. We demonstrate that HetR is a phosphoprotein interacting with the Ser/Thr kinase, Pkn22. A pkn22 mutant displays a delay in the differentiation process suggesting its involvement in the early steps of differentiation. We identified a Serine residue specifically phosphorylated in the presence of Pkn22 and showed that its phosphorylation is required for heterocyst differentiation. We showed that heterocysts can be used to host the hydrogenase HydA from the anaerobic bacterium Clostridium acetobutylicum. Coupling HydA production to the decrease of oxygen amount by the GlbN a cyanoglobin GlbN from Nostoc commune or the flavodiiron protein Flv3 permit to increase hydrogen evolution. The discovery of a new level of regulation of the differentiation and the demonstration that increasing oxygen consumption inside the heterocyst increase hydrogen production open new perspectives in the field.