Soutenance de thèse de ANNE BOYELDIEU

Shewanella oneidensis est une bactérie aquatique capable de chimiotactisme : elle détecte des « molécules signal » dans son environnement et oriente sa nage en fonction de ces signaux. Ce comportement est contrôlé par un système de transduction du signal complexe, nommé système chimiotactique dans lequel la reconnaissance des signaux est assurée par des chimiorécepteurs (ou MCP). S. oneidensis possède 27 MCP et détecte de nombreux substrats de nature variée. Étonnamment, S. oneidensis est attirée par le chromate, un métal toxique qu’elle est capable de réduire mais qu’elle ne peut utiliser pour la respiration. Durant ma thèse, j’ai cherché à identifier le(s) chimiorécepteur(s) spécifique(s) du chromate. J’ai identifié deux gènes (SO0987 et SO1056) codant des MCP dont la surexpression permet d’augmenter la sensibilité chimiotactique de S. oneidensis au chromate. Le gène SO0987 est situé en aval d’un gène dont le produit est homologue de pompes à efflux du chromate (ChrASO). Nous avons montré au laboratoire que cette pompe à efflux est impliquée dans la résistance au chromate de S. oneidensis. La détection du chromate par le MCP SO0987 ne semble pas être directe mais pourrait impliquer ChrASO. En revanche, le MCP SO1056 fixe directement le chromate. J’ai de plus montré que ce MCP fixe également un attractant, le malate, ainsi que deux répulsifs, le cobalt et le nickel. En utilisant la technique du Thermal Shift Assay, j’ai également pu montrer que la fixation des répulsifs et des attractants était directe et induisait des changements de conformation du MCP SO1056. Dans une deuxième partie de ma thèse, j’ai étudié la biogenèse des biofilms chez S. oneidensis. En effet, cette bactérie est capable de former deux types de biofilms : un biofilm flottant formé à l’interface air-liquide (pellicule) et un biofilm associé aux surfaces solides (SSA). Il a été montré au laboratoire que le système chimiotactique est impliqué dans la formation de la pellicule. En effet, le régulateur de réponse du système chimiotactique CheY3 est essentiel dès les étapes précoces de la biogenèse de la pellicule. Nous avons récemment mis en évidence un réseau de régulation complexe contrôlant la biogenèse de la pellicule. Ce réseau, centré autour de CheY3, fait intervenir deux diguanylate cyclases (PdgA et PdgB) synthétisant du di-GMPc, un messager secondaire, qui est ensuite transféré à la protéine effectrice MxdA. La machinerie Mxd, ainsi activée, permettrait la synthèse de l’exopolysaccharide, un des composants principaux de la matrice des biofilms. J’ai récemment découvert que CheY3 est également essentiel pour la formation du biofilm SSA et que la forme active de CheY3 dans ce processus est la forme phosphorylée. Par une approche de surexpression en multicopie, j’ai identifié deux nouvelles diguanylate cyclases (SO4207 et SO4407) impliquées dans la formation du biofilm SSA. L’une d’entre elles, SO4207, interagit fortement avec CheY3, indiquant un réseau de régulation très sophistiqué avec plusieurs diguanylate cyclases et potentiellement plusieurs effecteurs. Enfin, j’ai montré que des homologues de CheY3 pouvaient remplacer ce dernier et permettre la biogenèse du biofilm SSA, suggérant que le double rôle des protéines CheY dans le chimiotactisme et la formation des biofilms pourrait être étendu à d’autres organismes.

Shewanella oneidensis is an aquatic bacterium capable of chemotaxis: it detects signaling molecules in its environment and directs its swimming in response to these signals. This behavior is controlled by a complex signal transduction system, called the chemotactic system, in which signal recognition is ensured by chemoreceptors (or MCPs). S. oneidensis has 27 MCPs and detects many substrates of various types. Strikingly, S. oneidensis is attracted to chromate, a toxic metal that it can reduce but that it cannot respire. During my thesis, I sought to identify the specific chromate receptor(s). I have identified two genes (SO0987 and SO1056) coding for MCPs whose overexpression increases the chemotactic sensitivity of S. oneidensis toward chromate. The SO0987 gene is located downstream of a gene whose product is homologous to chromate efflux pumps (ChrASO). In the team, we have shown that this efflux pump is involved in chromate resistance of S. oneidensis. Detection of chromate by MCP SO0987 does not appear to be direct but could involve ChrASO. In contrast, MCP SO1056 directly binds chromate. I also showed that this MCP also binds malate as an attractant, as well as cobalt and nickel as repellents. Using the Thermal Shift Assay technique, I also showed that the fixation of repellents and attractants was direct and induced conformational changes of MCP SO1056. In a second part of my thesis, I studied the biogenesis of biofilms in S. oneidensis. Indeed, this bacterium is capable of forming two types of biofilms: a floating biofilm formed at the air-liquid interface (pellicle) and a solid-surface associated biofilm (SSA). It has been shown in the team that the chemotactic system is involved in pellicle formation. Indeed, the CheY3 response regulator of the chemotactic system is essential from the early stages of the pellicle biogenesis. We recently highlighted a complex regulatory network controlling the biogenesis of the pellicle. This network, centered on CheY3, involves two diguanylate cyclases (PdgA and PdgB) synthesizing di-GMPc, a secondary messenger, which is then transferred to the effector protein MxdA. The Mxd machinery, thus activated, could allow the synthesis of exopolysaccharide, one of the main components of the biofilm matrix. I recently discovered that CheY3 is also essential for SSA-biofilm formation and that the active form of CheY3 in this process is the phosphorylated form. Using a multicopy overexpression approach, I identified two new diguanylate cyclases (SO4207 and SO4407) involved in the formation of the SSA-biofilm. One of them, SO4207, interacts strongly with CheY3, indicating a very sophisticated regulatory network with several diguanylate cyclases and potentially several effectors. Finally, I have shown that homologs of CheY3 can replace it and allow the biogenesis of the SSA biofilm, suggesting that the dual role of the CheY proteins in chemotaxis and biofilm formation could be extended to other organisms.