Soutenance de thèse de Olivier LEMAIRE

Dans leur environnement naturel, les organismes doivent faire face à des changements biotiques et abiotiques de leurs conditions de vie. L’adaptation des êtres vivants à leur environnement est donc la condition sine qua none de leur survie. Par exemple, les procaryotes sont capables de respirer de nombreux composés. Grâce à cette versatilité respiratoire, ils ne sont pas limités aux niches écologiques oxygénées comme la plupart des autres organismes. Certaines bactéries, comme les gammaprotéobactéries du genre Shewanella, utilisent une gamme impressionnante de substrats respiratoires permettant leur adaptabilité et leur large distribution. En effet, ces bactéries sont retrouvées dans tous les océans, sous toutes les latitudes et à toutes profondeurs. Les Shewanella sont impliquées dans tous les cycles de la matière du milieu marin et semblent entretenir des relations complexes avec de très nombreux organismes. En plus du dioxygène, ces bactéries sont capables d’utiliser, pour leur respiration, des substrats organiques, inorganiques et même certains métaux solubles ou sous forme minérale. La respiration sur l’oxyde de triméthylamine (TMAO) est un processus bactérien bien décrit. Cette molécule d’origine organique est extrêmement commune en milieu marin puisque beaucoup d’animaux l’accumulent dans leurs tissus afin de contrer la salinité et la pression hydrostatique inhérente à la vie dans ce milieu. Sa respiration est donc un processus important pour la microflore océanique. Chez les Shewanella, le principal système respiratoire impliqué est le système TMAO réductase Tor. Ce système est un excellent modèle d’étude puisqu’il est l’un des plus simples connus à ce jour. Il est constitué des protéines TorC, cytochrome de type c pentahémique ancré à la membrane, et TorA, une molybdoenzyme périplasmique. TorC joue le rôle de quinol oxydase, transférant les électrons depuis le pool de quinols membranaires jusqu’à la TMAO réductase TorA. Le système est codé par l’ opéron torECAD, le rôle des produits des gènes TorE et TorD a été l’objet de cette étude. Ainsi, j’ai déterminé que la protéine TorD assure la fonction de chaperon spécifique, nécessaire pour la protection et la maturation de l’apoenzyme TorA dans le cytoplasme. Elle est essentielle pour la respiration du TMAO chez Shewanella oneidensis. La protéine TorE est une petite hélice hydrophobe de 56 acides aminés. Bien qu’absente des systèmes précédemment étudiés, j’ai pu établir qu’elle est un élément commun du système Tor de nombreuses protéobactéries. TorE permet une croissance optimale sur TMAO, apportant de ce fait un important avantage sélectif. Cette différence s’explique par une activité accrue du système Tor. J’ai montré que TorE forme un complexe de stœchiométrie 4 : 4 avec le cytochrome TorC, modifiant l’ancrage du cytochrome et potentiellement le transfert d’électrons. Ce mécanisme d’optimisation du système respiratoire est également retrouvé dans d’autres système respiratoires majeurs des bactéries tels que les nitrate réductases périplasmiques Nap où la protéine NapE, homologue de TorE, joue un rôle identique. L’avantage sélectif conféré par ces protéines peut être utilisé pour l’isolement de nouvelles espèces de Shewanella. J’ai ainsi pu isoler une nouvelle sous-espèce, S. decolorationis sesselensis (SDS), qui est probablement la souche appartenant au genre Shewanella la plus thermorésistante connue à ce jour. Cette souche présente également une grande résistance au chrome, un toxique fréquent en milieu aquatique et qu’elle peut réduire le rendant ainsi moins toxique et moins et soluble. SDS est donc une souche extrêmement intéressante du point de vue biotechnologique pour la biorémédiation d’eaux polluées par des métaux lourds.

In their natural environment, organisms have to face biotical and abiotical modifications of their living conditions. Adaptation of life forms is the key condition for survival. Prokaryotes uses various compounds for their respiration. Thanks to this respiratory versatility, they are not limited to strictly aerobic ecological niches like most other organisms. Some bacteria, like the gammaproteobacteria belonging to the genus Shewanella, use an astonishing range of respiratory substrates, allowing their adaptability and wide distribution. Indeed, these bacteria are found in every oceans, latitudes and depths. Shewanella species are involved in all the matter cycles and show complex interactions with various organisms. Besides dioxygen, these bacteria are able to respire organic and inorganic compounds and also metals in their soluble or mineral form. Respiration of trimethylamine oxide (TMAO) is a well-known bacterial process. This organic molecule is widespread in marine environment since numerous animals accumulate this compound in their tissues in order to thrive salinity and hydrostatic pressure, inherent to this specific environment. For this reason, respiration on TMAO is an important process for all the oceanic microflora. In Shewanella species, the main respiratory system involved is the TMAO reducing system Tor. This system is a model to study bacterial respiration because it is probably the simplest system described so far. The Tor system contains two proteins: TorC, a pentahemic c type cytochrome anchored into the membrane, and TorA, a periplasmic molybdoenzyme. TorC acts as a quinol oxidase, transferring electrons from the quinol pool to TorA, the TMAO reductase. The system is encoded by an operon that also codes for two additional proteins: TorD and TorE. In this study, I determined that TorD acts as a specific chaperone, required for protection and maturation of TorA apoenzyme in the cytoplasm. TorD is essential for TMAO respiration. The TorE protein is a small hydrophobic α-helix of 56 amino-acids. Even if the protein is absent from other studied Tor systems, I showed that TorE is a common component of the Tor system in various proteobacteria. Production of the protein allows an optimal growth on TMAO, leading to an important selective advantage. This growth difference comes from an enhanced activity of the Tor system. I also demonstrated that TorE forms a complex with TorC displaying a 4:4 stoichiometry that modifies the anchorage of the system and potentially the electron transfer within the system. This mechanism of respiratory system optimization is conserved in other major respiratory systems like the periplasmic nitrate reductase system Nap, in which the NapE protein, homolog to TorE, displays an identical role. The selective advantage conferred by these proteins can be used for isolation of new species belonging to the Shewanella genus. Doing so, I isolated a new sub-species, S. decolorationis sesselensis (SDS), which is probably the more thermoresistant strain currently described. This bacterium also shows an important resistance to chromate, a common toxic compound in aquatic environment. Moreover, as other species, SDS reduces this metal, leading to a less soluble and toxic form. So, thanks to its ability of bioremediation of heavy metal polluted water, SDS strain is extremely interesting for biotechnological aspects.