Soutenance de thèse de Marianne BROC

Depuis la révolution industrielle, les émissions de gaz à effet de serre dans l’atmosphère par les activités humaines n’ont cessé d’augmenter, jusqu’à atteindre un niveau critique au cours des dernières décennies. Parmi ces gaz, on retrouve notamment le CO2. Ainsi, de nouveaux axes de recherche se sont orientés vers le développement de stratégies biotechnologiques visant à dépolluer l'atmosphère. Parmi les systèmes prometteurs, on retrouve les Formiate déshydrogénases métalliques (FDH) qui sont des enzymes catalysant l’oxydation du formiate en CO2 (FDH) ou la réduction du CO2 en formiate (CO2R). Leur totale compréhension se heurte à l’impressionnante diversité existant au sein de cette famille d’enzyme et à la caractérisation d’un nombre trop restreint de membres. De ce fait, des questions importantes concernant le mécanisme catalytique, la sensibilité à l’oxygène, ou encore la diversité de la composition modulaire sont toujours en suspens. Cet état des lieux de la littérature pousse donc à vouloir caractériser de nouvelles FDH, et l’étude de systèmes non-canoniques semble être une approche pertinente pour aborder ces questions sous un nouvel angle. Dans ce contexte, mon projet de thèse a porté sur la caractérisation d’une nouvelle famille de FDH atypique, ForCE, chez la bactérie modèle Bacillus subtilis. Contrairement aux autres FDH, les ForCE possèdent un site actif non consensus et un module partenaire ForE inédit. Dans un premier temps, j’ai caractérisé ces enzymes sur les plans biochimique et enzymatique, en démontrant que la ménaquinone est l’accepteur terminal d’électron physiologique lors de l’oxydation de formiate en CO2. Également, j’ai démontré que ces enzymes œuvrent en qualité de déshydrogénases primaires lors de la respiration aérobie chez B. subtilis, révélant pour la première fois l’existence d’un métabolisme du formiate chez cette bactérie. A travers des approches structurales et cellulaires, j’ai montré que le module partenaire ForE assure l’interaction du complexe ForCE à la membrane via un domaine HMP amphipatique. A l’aide d’analyses bio-informatiques, j’ai montré d’une part que ce module ForE est commun à d’autres oxydoréductases telles que les NADH déshydrogénases de type II ou les Sulfide quinones réductases ; et révélé d’autre part une diversité modulaire inexplorée autour des sous-unités catalytiques de FDH à extension N-terminale. Enfin, j’ai montré que le formiate devient toxique pour B. subtilis lorsque que cette dernière le rencontre dans des conditions où le pH environnemental est acide. Dans ce contexte, l’enzyme ForCE2 participe à la détoxification du formiate afin de limiter l’impact de ce dernier sur la croissance de la bactérie

Since the industrial revolution, emissions of greenhouse gases such as CO2 into the atmosphere by human activities have been rising steadily, reaching critical levels in recent decades. As a result, new lines of research are focusing on the development of biotechnological strategies to clean up the atmosphere. Promising systems include metal Formate dehydrogenases (FDH), enzymes that catalyze the oxidation of formate into CO2 (FDH) or the reduction of CO2 into formate (CO2R). Their comprehensive understanding is hindered by the remarkable diversity within this enzyme family and the limited characterization of its members. Thus, important questions concerning the catalytic mechanism, the oxygen sensitivity and the diversity of the modular composition are still unanswered. This state of the art in the literature therefore leads to the desire to characterize new FDHs, and the study of non-canonical systems seems to be a relevant approach to tackle these questions from a new angle. In this context, my thesis project focused on the characterization of a new family of atypical FDHs, ForCE, in the model bacterium Bacillus subtilis. Unlike other FDH, ForCEs have a non-canonical active site and a novel ForE partner module. I first characterized these enzymes biochemically and enzymatically, demonstrating that menaquinone is the physiological terminal electron acceptor upon oxidation of formate into CO2. I also demonstrated that these enzymes act as primary dehydrogenases during aerobic respiration in B. subtilis, unveiling for the first time the existence of a formate metabolism in this bacterium. Using structural and cellular approaches, I demonstrated that the ForE partner module ensures the interaction between ForCE and the membrane thanks to its amphipathic HMP domain. Using bioinformatics analyses, I (1) showed that this ForE module is shared by other oxidoreductases such as type II NADH dehydrogenases and sulfide quinone reductases, and (2) revealed the unexplored modular diversity around the N-terminally extended catalytic subunits of FDH. Finally, I have shown that formate becomes toxic for B. subtilis when encountered under acidic environmental conditions. In this context, the ForCE2 enzyme participates in the detoxification of formate to limit its impact on bacterial growth.