Soutenance de thèse de Natalie PAYNE

Desulfovibrio fructosovorans, bactérie anaérobie sulfato-réductrice, possède six clusters de gènes codant pour six hydrogénases catalysant l'oxydation réversible de l'hydrogène moléculaire (H2) en protons et en électrons. L'une d'entre elles, l'hydrogénase Hnd, est capable de bifurquer les électrons. Elle couple la réduction exergonique du NAD+ à la réduction endergonique d'une ferrédoxine à partir de l'H2. Précédemment, il a été proposé qu'elle serait impliquée dans la production de NADPH nécessaire aux biosynthèses. Cependant, il a été démontré par la suite qu'Hnd est plutôt une enzyme à NAD+, sa fonction spécifique restant donc à être établie. Pour comprendre le rôle physiologique de Hnd dans le métabolisme énergétique de D. fructosovorans, nous avons comparé la souche mutante délétée d'hnd avec la souche sauvage cultivées sur milieu pyruvate dans différentes conditions de croissance. Nos résultats indiquent que l'opéron hnd est fortement régulé au niveau transcriptionnel et que la délétion de hnd a un effet drastique sur l'expression des gènes de deux enzymes, une aldéhyde ferrédoxine oxydoréductase et une alcool déshydrogénase ainsi sur la production d'éthanol comme produit de fermentation. De plus, la métabolomique par résonance magnétique nucléaire et la protéomique quantitative ont été utilisées pour explorer le rôle de Hnd dans la physiologie cellulaire. Les résultats des analyses omiques révèlent qu'Hnd intervient indirectement dans le métabolisme global du carbone et dans d'autres processus métaboliques tels que la biosynthèse des acides aminés. Globalement, nos résultats révèlent que l'hydrogénase Hnd est impliquée dans le métabolisme de l'éthanol lorsque les bactéries se développent en fermentation du pyruvate, et nous ont conduit à proposer qu'Hnd pourrait oxyder une partie de l'hydrogène produit pendant la fermentation en générant à la fois du NADH et de la ferredoxine réduite, et serait impliquée dans le maintien de l'équilibre rédox grâce à son mécanisme de bifurcation des électrons.

Desulfovibrio fructosovorans, an anaerobic sulfate-reducing bacterium, possesses six gene clusters encoding six hydrogenases catalyzing the reversible oxidation of hydrogen gas (H2) into protons and electrons. One of these is an electron-bifurcating hydrogenase Hnd, which couples the exergonic reduction of NAD+ to the endergonic reduction of a ferredoxin with electrons derived from H2. It was previously hypothesized that its biological function involves the production of NADPH necessary for biosynthetic purposes. However, it was subsequently demonstrated that Hnd is instead a NAD+-reducing enzyme, thus its specific function has yet to be established. To understand the physiological role of Hnd in the energy metabolism in D. fructosovorans, we compared the hnd deletion mutant with the wild-type strain grown on pyruvate under different growth conditions. Our results indicate that the hnd operon is strongly regulated at the transcriptional level and that the deletion of hnd has a drastic effect on the expression of genes for two enzymes, an aldehyde:ferredoxin oxidoreductase and an alcohol dehydrogenase, as well as on the production of ethanol as a fermentation product. Additionally, Nuclear Magnetic Resonance-based metabolomics and quantitative label-free proteomics was used to probe the role of Hnd at a global level. The omics results establish that Hnd indirectly intervenes in global carbon metabolism and additional metabolic processes such as the biosynthesis of amino acids. Collectively, our results reveal that Hnd is profoundly involved in ethanol metabolism when bacteria grow in pyruvate fermentation, and leading us to propose that Hnd oxidizes part of the H2 produced during fermentation, thereby generating both NADH and reduced ferredoxin, and is involved in maintaining redox balance through its electron bifurcation mechanism.