Soutenance de thèse de GAUDU Nil
Titre de thèse
Exploration de la contribution de la rouille verte dans l'émergence de la bioénergétique au sein des cheminées hydrothermales alcalines de la Terre primitive
Exploration of the contribution of green rust to the emergence of bioenergetics in early-Earth alkaline hydrothermal vents
Résumé de la thèse
Au sein de la biologie actuelle, la génération d'énergie repose de façon ubiquitaire sur la conversion d'énergie libre environnementale au travers du mécanisme de chimio-osmose. A l'émergence de la vie, les cheminées hydrothermales alcalines (AHV) hébergeaient des déséquilibres d'énergie libres tels que des gradients redox et de pH rappelant ceux inhérents à la chimio-osmose actuelle. Le précipité minéral, qui assurait la séparation du fluide alcalin et réducteur intérieur et du fluide océanique oxydant extérieur, contenait probablement le minéral connu sous le nom de « rouille verte », un hydroxyde double-lamellaire redox-actif dont la structure est analogue à celle de sites catalytiques métalliques de certaines metallo-enzymes chimio-osmotiques actuelles.
Dans ce manuscrit, nous proposons qu'en dépit des similarités qui nourrissent les comparaisons entre les membranes biologiques et le précipité hydrothermal, ce dernier n'aurait pas pu lui-même supporter des processus de conversion d'énergie libre pour plusieurs raisons, dont sa grande porosité et permittivité. Cependant, nous supposons qu'après exposition à deux composés probables des cheminées hydrothermales alcalines de la Terre primitive, le nickel et les acides aminés, la rouille verte aurait acquis les propriétés physico-chimiques permettant son insertion dans les membranes de vésicules organiques protobiotiques, dans une configuration similaire à celle des metallo-enzymes transmembranaires de la bioénergétique actuelle. La formation de ce système aurait donc combiné les capacités de compartimentation et de support des processus osmotiques des vésicules avec les propriétés de réactivité redox ainsi que de transport de cations attendu et de condensation de phosphates attendues de la rouille verte, reconstituant ainsi une forme primitive de chimio-osmose.
Ce manuscrit démontre les interactions qui sous-tendent l'adsorption des acides aminés à la surface des rouilles vertes et leur effet synergique à la présence de nickel, provoquant la réduction de la taille des cristaux jusqu'au nanomètre et l'augmentation de leur hydrophobicité de surface.
De plus, il démontre comment l'évolution des propriétés de taille et d'hydrophobicité de la rouille verte modulent la nature des interactions établies avec des nanoparticules lipidiques. Ces dernières incluent une large gamme de système hybrides rouille verte-lipides dont la rétention de liposomes à la surface de larges plaquettes de rouille verte, l'insertion de nanocristaux hydrophobes de rouille verte dans la membrane de liposomes, ainsi que l'encapsulation de ces nanocristaux à l'intérieur de « lipid nanoparticles », dont la formation est stimulée par l'association des queues lipidiques avec la surface hydrophobe des nanocristaux de rouille verte.
Le développement préliminaire d'un setup expérimental dédié au suivi du couplage du transfert d'électrons et de protons, puis de la translocation des protons et de la condensation des phosphates est nécessaire afin de vérifier la possibilité de voir ces conversions d'énergie libre assurées par la rouille verte.
Cela a été exploré dans un système modèle constitué d'un liposome intégrant la pyrophosphatase membranaire de Thermotoga maritima, une enzyme couplant l'hydrolyse du pyrophosphate en orthophosphate avec le transport de cations. Ce système servira ensuite à vérifier l'existence de ces mécanismes en présence de rouille verte.
Thesis resume
Current biology's energy harvesting ubiquitously rely on the conversion of environmental free energy through the mechanism of chemiosmosis. At the emergence of life, alkaline hydrothermal vents (AHVs) were hosting free energy disequilibria including redox and pH gradients reminiscent of those of current chemiosmosis. The mineral precipitate providing the compartmentation separating the internal reducing alkaline fluid and the outside oxidizing seawater likely contained the mineral green rust, a redox-active layered double-hydroxide whose structure is analogous to that of the metallic catalytic sites of current chemiosmotic metallo-enzymes.
In this work, we state that despite the similarities that fuel comparisons between biological membranes and the hydrothermal precipitate, the latter itself could not have supported free energy conversion processes for various reasons, including its high porosity and permittivity. However, we imagine that upon exposure to two probable components of early-Earth AHVs, nickel and amino acids, GR would have gained the physico-chemical properties allowing it to integrate the membranes of protobiotic organic vesicles, in a similar layout to this of transmembrane metallo-enzymes in current bioenergetics. The formation of this system would then have combined the compartmentation and osmotic-supporting capacities of the vesicles with the redox reactivity, anticipated cation transport and phosphate condensation properties of GR, thus reconstituting a primitive chemiosmosis.
This manuscript demonstrates the interactions underlying the adsorption of amino acids on the surface on GR and their synergistic effect with the presence of nickel, leading to the reduction of the crystals size to the nanometer scale and the enhancement of their surface's hydrophobicity.
Furthermore, it demonstrates how the evolution of GR size and hydrophobic properties modulates the nature of the interactions it establishes with lipid-based nanoparticles. The latter encompasses a wide range of GR-lipid hybrid systems including the retention of liposomes on the surface of large GR platelets, the insertion of hydrophobic GR nanocrystals in the membranes of liposomes, and the encapsulation of these nanocrystals within lipid nanoparticles, whose formation is driven by the association of lipids tails with the hydrophobic surface of GR nanocrystals.
Preliminary development of a liposome-based setup dedicated to the monitoring of the coupling of electron and proton transfer, followed by proton translocation and phosphate condensation is necessary in order to assess the possibility of these free energy conversions fulfilled by GR.
This was explored in a model system constituted of liposome embedding Thermotoga maritima's membrane pyrophosphatase, an enzyme coupling the hydrolysis of pyrophosphate to orthophosphates with the pumping of cations. This setup will then serve to verify the feasibility of these mechanisms in the presence of GR, based on a well-known cation pump.