Soutenance de thèse de Marcel GIANSILY

Les membranes biologiques sont le siège d’un grand nombre de processus importants incluant le transport, la communication cellulaire et la bioénergétique. L’étude des règles, et des paramètres décisifs qui gouvernent l’assemblage des membranes biologiques et mènent à une organisation fonctionnelle constitue un domaine de grand intérêt et peut fournir des avancées conceptuelles importantes. Comme modèle d’étude, les membranes intracytoplasmiques (ICM) de la bactérie pourpre photosynthétique Rhodobacter sphaeroides conviennent particulièrement, puisque ce système intégré est simple, et la structure est bien étudiée. L’organisation des protéines photosynthétiques dans ces membranes est fondamentale pour leurs fonctions comme les transferts d’énergie, d’électrons et de quinones, menant à une photosynthèse pleinement fonctionnelle. Dans ce contexte, j’ai étudié la robustesse des différents aspects d’organisation et fonctionnels à la modification de la composition en protéines photosynthétiques de ces membranes, en utilisant une approche de perturbation. Dans un premier temps, mon projet a consisté à développer une approche pour faire varier la composition protéique des membranes. J’ai créé des outils génétiques qui couplés avec différents paramètres de cultures ont permis la production d’une gamme de membranes aux compositions extrêmes que les bactéries n’atteignent pas naturellement. Ensuite, j’ai pu mesuré l’impact de ces modifications sur l’organisation grâce à la microscopie à force atomique et à des outils statistiques. J’ai pu observer l’organisation des LH2 et des CC entre eux ainsi que des arrangements de CC non répétitifs dans des conditions d’imagerie proches de celles physiologiques. Enfin, l’impact fonctionnel sur les transferts d’énergie et électronique a été mesuré avec des techniques de spectrophotométrie de fluorescence et de type Joliot. J’ai pu analyser la distribution d’énergie pour chaque échantillon en fonction de leur composition et en la comparant avec des modèles prédictifs. Concernant les transferts d’électrons, j’ai pu obtenir des informations sur la connectivité excitonique, et sur les cinétiques d’oxydation et de réduction des paires P et des cytochromes C.

Biological membranes are the seat of many important biological processes including transport, cell communication, and bioenergetics. The study of the rules and decisive parameters that govern biological membranes assembly and lead to a functional organization represent a domain of great interest and may provide important conceptual advances. As a model system, the intracytoplasmic membranes of photosynthetic purple bacteria Rhodobacter sphaeroides are particularly suitable, as this integrated system is simple, and the structure is well studied. The organization of photosynthetic proteins in these membranes is fundamental for their functions such as transfer of energy, electrons, and quinones, leading to a fully functional photosynthesis. In this context, I have studied the robustness of different organizational and functional aspects to the modification of photosynthetic proteins composition of these membranes, by using a perturbation approach. First, my project consisted in developing an approach to modify the protein composition of membranes. I have created genetics tools coupled to different cultures parameters that allowed the production of a range of membranes with extremes compositions, that bacteria do not naturally attain. Subsequently, I was able to measure the impact of these modifications on the organization thanks to atomic force microscopy and statistical tools. I could observe the organization of LH2 and CC between them just as non-repetitive CC arrangements in imaging conditions close to physiological ones. Finally, the functional impact on energy and electrons transfers was measured with fluorescence and Joliot-type spectrophotometry. I was able to analyze the energy distribution of each sample as a function of their compositions, and by comparing it to predictive models. Regarding electrons transfers, I could obtain information on excitonic connectivity, and on oxidation and reduction kinetics of P pairs and cytochromes C.