Soutenance de thèse de ALEMAN Loïc
Titre de thèse
Identification et exploitation de systèmes biologiques d'acquisition et de complexation des Terres Rares (TR) par les bactéries pour l'extraction sélective dans le cadre de procédés de recyclage d'aimants FeNdB
Identification and exploitation of biological systems of acquisition and complexation of Rare Earth Elements (RE) by bacteria for the selective extraction in the context of recycling processes of FeNdB magnets
Résumé de la thèse
Les terres rares (TR: comprenant la série des lanthanides, Ln) sont des métaux critiques dont la demande croît fortement en raison de leur utilisation dans les technologies émergentes, notamment les aimants permanents à base de NdFeB. Cependant, leur extraction et leur raffinage posent des enjeux environnementaux et géopolitiques majeurs. Dans ce contexte, l'étude des mécanismes microbiens de capture et de transport des TR ouvre des perspectives prometteuses pour le développement de procédés de recyclage biosourcés ou bioinspirés durables.
Cette thèse s'inscrit dans ce cadre et vise à caractériser le système de transport des TR PedA1A2BC identifié chez Pseudomonas putida KT2440, une bactérie non méthylotrophe versatile et biotechnologiquement pertinente. Les travaux ont porté sur l'étude biochimique et structurale des protéines périplasmiques PedA1 et PedA2, supposées intervenir dans la reconnaissance et le transfert des TR vers le cytoplasme.
Les analyses ont montré que PedA1 est une protéine de type Substrate Binding Protein atypique, stable sous forme dimérique en solution et dépourvue d'affinité directe pour les lanthanides. Sa structure révèle une organisation originale à 4 interconnections entre les deux lobes, qui possèdent des feuillets β antiparallèles supplémentaires, suggérant une fonction de reconnaissance d'un ligand organique ou d'un lanthanophore. La seconde protéine périplasmique, PedA2, contenant un domaine β-propeller YVTN, présente une affinité sub-nanomolaire pour les lanthanides légers et intermédiaires. PedA2 est ainsi la seconde protéine de P. putida identifiée comme fixant les TR. Associée à un système de transport de type ABC, elle joue sans doute un rôle déterminant dans la capture et le métabolisme des TR. L'étude conjointe des deux protéines PedA1 et PedA2 a permis de mettre en évidence la formation d'un complexe tétramérique PedA1₂-PedA2₂-Ln₂, uniquement en présence de TR, aussi bien en solution que sous forme cristalline et suggèrent un mécanisme coopératif de fixation inédit. Les structures tridimensionelles expérimentales de PedA2, PedA1 et du complexe PedA1₂-PedA2₂-Ln₂ ont été obtenues avec de très bonnes résolutions. Elles permettent d'identifier le site de fixation des TR sur PedA2, et de détailler les résidus impliqués dans l'interface PedA1PedA2. Le site de fixation des TR est original, avec la contribution de 4 glutamates et de trois molécules d'eau. L'ensemble de ces résultats permet de faire de nouvelles hypothèses sur le fonctionnement du transporteur de TR chez P. putida ainsi que chez les bactéries méthylotrophes.
En parallèle, le potentiel de P. putida KT2440 pour la solubilisation des terres rares à partir de déchets d'aimants NdFeB a été évalué. Les résultats indiquent une certaine activité biologique de solubilisation, ouvrant la voie à l'étude de stratégies d'extraction sélective des TR.
Thesis resume
Rare Earth Elements (REEs, including the lanthanide series, Ln) are critical metals whose demand is rapidly increasing due to their use in emerging technologies, particularly in NdFeB permanent magnets. However, their extraction and refining present significant environmental and geopolitical challenges. In this context, studying microbial mechanisms for capturing and transporting REEs offers promising prospects for developing sustainable biosourced or bioinspired recycling processes.
This thesis fits within this framework and aims to characterize the REE transport system PedA1A2BC identified in Pseudomonas putida KT2440, a versatile and biotechnologically relevant non-methylotrophic bacterium. The work focused on the biochemical and structural study of the periplasmic proteins PedA1 and PedA2, which are presumed to be involved in the recognition and transfer of REEs to the cytoplasm.
The analyses showed that PedA1 is an atypical Substrate Binding Protein, stable in its dimeric form in solution and lacking direct affinity for lanthanides. Its structure reveals an original organization with four interconnections between the two lobes, which possess additional antiparallel β-sheets, suggesting a function in recognizing an organic ligand or a lanthanophore. The second periplasmic protein, PedA2, containing a β-propeller YVTN domain, exhibits sub-nanomolar affinity for light and intermediate lanthanides. PedA2 is thus the second protein of P. putida identified as binding REEs. Associated with an ABC-type transport system, it likely plays a crucial role in capturing and metabolizing REEs. The joint study of the two proteins PedA1 and PedA2 revealed the formation of a tetrameric complex PedA1₂-PedA2₂-Ln₂, exclusively in the presence of REEs, both in solution and in crystalline form, suggesting a novel cooperative binding mechanism. The experimental three-dimensional structures of PedA2, PedA1, and the complex PedA1₂-PedA2₂-Ln₂ were obtained with very high resolutions. They allow the identification of the REE binding site on PedA2 and the detailed description of the residues involved in the PedA1-PedA2 interface. The REE binding site is original, involving four glutamates and three water molecules. These results enable new hypotheses about the functioning of the REE transporter in P. putida and in methylotrophic bacteria.
In parallel, the potential of P. putida KT2440 for solubilizing REEs from NdFeB magnet waste was evaluated. The results indicate some biological extraction activity, paving the way for studying selective extraction strategies for REEs.