Literatura académica sobre el tema "Biominéralisation intracellulaire"

Cette thèse vise à avancer dans la compréhension de la formation récemment découverte de carbonates amorphes intracellulaires par des cyanobactéries. Des synthèses abiotiques ont permis de produire des carbonates similaires aux inclusions intracellulaires en termes de morphologie, structure et composition chimique. Ceci a permis notamment de discuter les conditions chimiques présentes dans le milieu intracellulaire de ces bactéries, qui semblent incompatibles avec les connaissances actuelles de l’intérieur des cyanobactéries. Plusieurs souches de cyanobactéries formant ou non des carbonates intracellulaires ont été cultivées en laboratoire. Des études de chimie des solutions sur le milieu extracellulaire ont montré que la précipitation intracellulaire est un processus actif pour la cellule, c’est-à-dire nécessitant de l’énergie. De plus, les cyanobactéries formant des carbonates de calcium intracellulaires imposent de faibles concentrations en calcium dans leur milieu de vie. Le suivi de la formation de carbonates intracellulaires dans des milieux contrôlés a aussi permis de démontrer qu’une espèce formait spécifiquement des carbonates de baryum et de strontium grâce à une affinité pour le baryum supérieure à celle pour le strontium, elle-même supérieure à celle pour le calcium. Ceci ouvre des perspectives intéressantes pour la dépollution et questionne l’utilisation des rapports Sr/Ca comme proxy des paléo-environnements<br>In this thesis we study the recently discovered formation of intracellular amorphous carbonates by cyanobacteria. Abiotic syntheses produced carbonates with a morphology, structure and composition similar as intracellular inclusions. The intracellular chemical conditions in the cyanobacteria can be discussed; they seem inconsistent with our current knowledge about cyanobacteria. Several cyanobacterial strains, forming intracellular carbonates or not, were cultured in the laboratory. Analyses of the chemical composition of extracellular solutions showed that intracellular precipitation is an active process, i.e., it needs energy. Also, cyanobacteria forming intracellular calcium carbonates imposed low concentrations in calcium in their living environment. Monitoring the formation of intracellular carbonates in controlled environments also demonstrated that one species formed carbonates of barium and strontium owing to an affinity for barium higher than for strontium and higher for strontium than calcium. This feature opens interesting perspectives on bioremediation and questions the use of Sr/Ca ratios as a proxy for paleo-environments

Cette thèse vise à avancer dans la compréhension de la formation récemment découverte de carbonates amorphes intracellulaires par des cyanobactéries. Des synthèses abiotiques ont permis de produire des carbonates similaires aux inclusions intracellulaires en termes de morphologie, structure et composition chimique. Ceci a permis notamment de discuter les conditions chimiques présentes dans le milieu intracellulaire de ces bactéries, qui semblent incompatibles avec les connaissances actuelles de l’intérieur des cyanobactéries. Plusieurs souches de cyanobactéries formant ou non des carbonates intracellulaires ont été cultivées en laboratoire. Des études de chimie des solutions sur le milieu extracellulaire ont montré que la précipitation intracellulaire est un processus actif pour la cellule, c’est-à-dire nécessitant de l’énergie. De plus, les cyanobactéries formant des carbonates de calcium intracellulaires imposent de faibles concentrations en calcium dans leur milieu de vie. Le suivi de la formation de carbonates intracellulaires dans des milieux contrôlés a aussi permis de démontrer qu’une espèce formait spécifiquement des carbonates de baryum et de strontium grâce à une affinité pour le baryum supérieure à celle pour le strontium, elle-même supérieure à celle pour le calcium. Ceci ouvre des perspectives intéressantes pour la dépollution et questionne l’utilisation des rapports Sr/Ca comme proxy des paléo-environnements<br>In this thesis we study the recently discovered formation of intracellular amorphous carbonates by cyanobacteria. Abiotic syntheses produced carbonates with a morphology, structure and composition similar as intracellular inclusions. The intracellular chemical conditions in the cyanobacteria can be discussed; they seem inconsistent with our current knowledge about cyanobacteria. Several cyanobacterial strains, forming intracellular carbonates or not, were cultured in the laboratory. Analyses of the chemical composition of extracellular solutions showed that intracellular precipitation is an active process, i.e., it needs energy. Also, cyanobacteria forming intracellular calcium carbonates imposed low concentrations in calcium in their living environment. Monitoring the formation of intracellular carbonates in controlled environments also demonstrated that one species formed carbonates of barium and strontium owing to an affinity for barium higher than for strontium and higher for strontium than calcium. This feature opens interesting perspectives on bioremediation and questions the use of Sr/Ca ratios as a proxy for paleo-environments

Ce travail de thèse constitue une nouvelle approche de l’étude du comportement des bactéries immobilisées dans des matrices inorganiques centrée sur l’influence d’un champ magnétique sur le comportement cellulaire. Des nouveaux gels incorporant des nanoparticules de magnétite ont été élaborés par voie sol-gel dans des conditions cytocompatibles et caractérisés par diffraction des rayons X, sorption d’azote, microscopie électronique en transmission (MET) et mesures magnétiques. Après une étude de viabilité des bactéries modèles Escherichia coli immobilisées, le procédé d’encapsulation a été étendu aux bactéries magnétotactiques Magnetospirillum magneticum. L’effet d’un champ magnétique statique sur ces deux types de microorganismes a été étudié. Enfin, les processus de biominéralisation intracellulaire chez les bactéries magnétotactiques ont été suivis en présence et en absence d’un champ magnétique statique sur des cellules immobilisées et en suspension. Cette approche nous a permis de comprendre les phénomènes liés à l’encapsulation et à l’exposition à un environnement magnétique extérieur. Des effets originaux du champ magnétique continu sur la cinétique de production des magnétosomes et sur la dynamique collective des chaînes de magnétosomes à l’intérieur des cellules encapsulées ont pu être mis en évidence<br>This work constitutes a new approach to the study of the behavior of immobilized bacteria in inorganic matrices focusing on the influence of a magnetic field on cell behavior. Novel gels incorporating magnetite nanoparticles were prepared by the sol-gel process in cytocompatible conditions and were characterized by X-ray diffraction, nitrogen sorption, transmission electron microscopy (TEM) and magnetic measurements. After studying the viability of immobilized model bacteria Escherichia coli, the encapsulation process was extended to magnetotactic bacteria Magnetospirillum magneticum. The effect of a static magnetic field on these two types of microorganisms was studied.Finally, the process of intracellular biomineralization in magnetotactic bacteria was followed in the presence and absence of a static magnetic field on the immobilized cells and suspension. This approach allowed us to understand the phenomena related to encapsulation and exposure to an external magnetic environment. New effects of the continuous magnetic field on the kinetics of magnetosome production and on the collective dynamic of magnetosome chains within the encapsulated cells are described

La biominéralisation des carbonates de calcium est un processus répandu chez les bactéries. Cependant les mécanismes moléculaires sous-jacents restent mal compris. Récemment, la biominéralisation intracellulaire de phases amorphes de carbonate de calcium (iACC) a été découverte chez des cyanobactéries répandues environnementalement et phylogénétiquement. Un gène orphelin de fonction inconnue, nommé ccyA et codant pour une protéine nommée Calcyanine, a été identifié uniquement chez ces cyanobactéries. Ainsi mon travail de thèse a consisté à développer une approche génétique pour analyser la fonction in vivo du gène ccyA et déterminer si la protéine qu’il code est impliquée ou non dans la formation des iACC. L’échec des tentatives de délétion de ccyA chez Cyanothece sp. PCC 7425 et Synechococcus sp. PCC 6312 suggère que ce gène leur est essentiel. Nous avons donc construit une expression hétérologue de ccyA dans des cyanobactéries modèles ne formant pas naturellement des iACC. L’expression constitutive de diverses séquences du gène ccyA a montré que la croissance de Synechococcus elongatus PCC 7942 est ralentie par rapport à celle de la souche sauvage. En accord, les mutants exprimant le ccyA présentent plus de cellules mortes que la souche sauvage. Enfin, ces mutants possèdent plus de calcium intracellulaire que la souche sauvage, suggérant une modification de l’homéostasie du calcium. Enfin, j’ai introduit des plasmides par conjugaison chez Cyanothece sp. PCC 7425 et Synechococcus sp. PCC 6312 leur permettant de surproduire ccyA. La Calcyanine fusionnée avec la eGFP se localise à la membrane et aux pôles des cellules chez la souche Synechococcus sp. PCC 6312<br>The biomineralization of calcium carbonates is a common process in bacteria, however, the underlying molecular mechanisms remain poorly understood. Recently, intracellular biomineralization of amorphous calcium carbonate phases (iACC) has been discovered in environmentally and phylogenetically widespread cyanobacteria. An orphan gene of unknown function, named ccyA and coding for a protein named Calcyanin, has been identified only in these cyanobacteria. My thesis work consisted in developing a genetic approach to analyze the in vivo function of the ccyA gene and determine whether or not the encoded protein is involved in the formation of iACCs. The failure of ccyA deletion attempts in Cyanothece sp. PCC 7425 and Synechococcus sp. PCC 6312 suggests that this gene could be essential to cells viability. We have therefore introduced a plasmid allowing heterologous expression of ccyA in model cyanobacteria that do not naturally form iACC. The constitutive expression of various ccyA sequences in Synechococcus elongatus PCC 7942 is slowed down compared to that of the wild strain. In agreement, ccyA-expressing mutants have more dead cells than the wild-type strain. Finally, these mutants have more intracellular calcium than the wild strain, suggesting a modification of calcium homeostasis. Finally, I introduced plasmids by conjugation in Cyanothece sp. PCC 7425 and Synechococcus sp. PCC 6312 allowing them to overproduce ccyA. Calcyanin fused with eGFP is localized to the membrane and poles of cells in Synechococcus sp. PCC 6312

Ce travail de thèse constitue une nouvelle approche de l’étude du comportement des bactéries immobilisées dans des matrices inorganiques centrée sur l’influence d’un champ magnétique sur le comportement cellulaire. Des nouveaux gels incorporant des nanoparticules de magnétite ont été élaborés par voie sol-gel dans des conditions cytocompatibles et caractérisés par diffraction des rayons X, sorption d’azote, microscopie électronique en transmission (MET) et mesures magnétiques. Après une étude de viabilité des bactéries modèles Escherichia coli immobilisées, le procédé d’encapsulation a été étendu aux bactéries magnétotactiques Magnetospirillum magneticum. L’effet d’un champ magnétique statique sur ces deux types de microorganismes a été étudié. Enfin, les processus de biominéralisation intracellulaire chez les bactéries magnétotactiques ont été suivis en présence et en absence d’un champ magnétique statique sur des cellules immobilisées et en suspension. Cette approche nous a permis de comprendre les phénomènes liés à l’encapsulation et à l’exposition à un environnement magnétique extérieur. Des effets originaux du champ magnétique continu sur la cinétique de production des magnétosomes et sur la dynamique collective des chaînes de magnétosomes à l’intérieur des cellules encapsulées ont pu être mis en évidence<br>This work constitutes a new approach to the study of the behavior of immobilized bacteria in inorganic matrices focusing on the influence of a magnetic field on cell behavior. Novel gels incorporating magnetite nanoparticles were prepared by the sol-gel process in cytocompatible conditions and were characterized by X-ray diffraction, nitrogen sorption, transmission electron microscopy (TEM) and magnetic measurements. After studying the viability of immobilized model bacteria Escherichia coli, the encapsulation process was extended to magnetotactic bacteria Magnetospirillum magneticum. The effect of a static magnetic field on these two types of microorganisms was studied.Finally, the process of intracellular biomineralization in magnetotactic bacteria was followed in the presence and absence of a static magnetic field on the immobilized cells and suspension. This approach allowed us to understand the phenomena related to encapsulation and exposure to an external magnetic environment. New effects of the continuous magnetic field on the kinetics of magnetosome production and on the collective dynamic of magnetosome chains within the encapsulated cells are described

La biominéralisation est l'ensemble des processus qui mènent à la formation de minéraux par des êtres vivants. En 2012, un nouveau phénotype de biominéralisation a été décrit chez les cyanobactéries, caractérisé par la présence de précipités amorphes de carbonate d'alcalino-terreux intracellulaire. Une analyse de génomique comparative a montré que ce phénotype était associé à la présence d'un gène, encore non caractérisé, qui a été nommé ccyA. Ce gène code pour une protéine nommée calcyanine. La calcyanine a 4 variants qui partagent un même domaine C-terminal ((GlyZip)3), mais qui diffèrent par leur domaine N-terminal (CoBaHMA, X, Y ou Z). Aucun de ces 5 domaines n'est encore décrit dans la littérature. L'objectif de cette thèse a été de caractériser la structure 3D de la calcyanine de Synechococcus calcipolaris, variant à domaine CoBaHMA, en combinant des approches bioinformatiques et expérimentales, afin de progresser dans la connaissance de sa fonction. En combinant un ensemble de méthodes d’analyse de séquences et de modélisation, nous avons montré que le domaine CoBaHMA adopte un repliement « ferredoxin-like » typique de la superfamille HMA (« Heavy-Metal Associated ») et forme au sein de celle-ci une nouvelle famille, caractérisée par la conservation d’acides aminés basiques et la présence d’un brin β additionnel (1). Nous avons ensuite réalisé des recherches avancées de similitudes de séquence, intégrant les informations dérivées des modèles de structure 3D. Nous avons ainsi montré que le domaine CoBaHMA est présent dans différentes organisations modulaires au sein de taxa variés. Il existe sous la forme de domaine unique, ou accompagné d’autres domaines, en particulier des systèmes membranaires qui permettent, entre autre, le transport de substrats au travers des membranes (PIB-type ATPases, exporteurs ABC) ou qui constituent de nouvelles familles aux fonctions encore inconnues. Ces résultats permettent de proposer des hypothèses quant à la fonction moléculaire du domaine CoBaHMA (2). Nous avons également proposé un modèle cohérent des trois motifs glycine zippers individuels qui donnent leur nom au domaine (GlyZip)3 C-terminal des calcyanines. Ces glycine zippers forment une structure compacte de 2 hélices en épingle à cheveux, qui rappelle celle adoptée par des protéine transmembranaires formant des pores. Cependant, nous n’avons pu obtenir de modèle satisfaisant de l’assemblage des motifs glycine zipper, ni de leur interaction potentielle avec le domaine CoBaHMA, renforçant ainsi l’intérêt d’une étude expérimentale. Nous avons ainsi exprimé la calcyanine de S. calcipolaris chez Eschericha coli, et l’avons purifiée. Cette protéine s'est avérée peu stable, avec une propension à former un grand nombre d'objets de taille différentes en solution. Une expérience de protéolyse limitée a montré l'existence d'un fragment de la calcyanine résistant aux protéases, constitué du domaine CoBaHMA et du premier glycine zipper du domaine (GlyZip)3. Après expression hétérologue, nous avons donc purifié ce fragment fusionné à la protéine MBP (« Maltose Binding Protein »). Celui-ci ne forme qu'une espèce en solution, mais qui précipité facilement après avoir été séparé de la MBP. Nous avons cependant réussi à obtenir des cristaux de ce fragment offrant des perspectives encourageantes pour résoudre sa structure expérimentale. La calcyanine est donc une protéine difficile à étudier, tant par voie expérimentale que par modélisation. Néanmoins nous avons réussi à modéliser et caractériser plusieurs de ses fragments. Nous en avons déduit des informations pertinentes sur cette protéine. Plus particulièrement, nous avons mis en évidence une nouvelle famille de domaine, CoBaHMA, dont la présence dans d’autres architectures protéiques ouvre des perspectives pour comprendre sa fonction et son évolution. (1) Benzerara et al., 2022 14(3): evav026. doi :10.1093/gbe/evac026. (2) Gaschignard et al., En préparation<br>Biomineralisation is all the processes that lead to the formation of minerals by living beings. In 2012, a new biomineralization phenotype has been described in cyanobacteria, characterized by the presence of amorphous alkaline-earth carbonate inclusions inside the cells. A comparative genomic analysis revealed that this intracellular biomineralisation phenotype is linked to the presence of one gene, unknown at the time, which has been called ccyA. It codes for one protein called calcyanin. Calcyanin has 4 variants, that share the same C-terminus domain ((GlyZip)3), but which differ in their N-terminus domain (CoBaHMA, X, Y or Z). None of these 5 domains has already been described in the literature. The goal of this PhD was to characterize the 3D structure of Synechococcus calcipolaris’s calcyanin, which has a CoBaHMA domain, by combining bioinformatics and experimental approaches, in order to make hypothesis regarding its role. Through sequence analysis and 3D structure modeling, we showed that the CoBaHMA domain belongs to the “ferredoxin-like” fold, typical of the superfamily HMA (“Heavy Metal Associated”), and sets itself as a new family in it, characterized by conserved basic amino acids and an additional β strand (1). We have performed sequence similarity searches, refined with the structural information of the 3D structure models. This way, we showed that the CoBaHMA domain can be found on several different protein architectures, in various taxa. It exists has an independent domain, or in conjunction with other domains, especially membrane systems which, among others, allow transports of substrates through the membrane (PIB-type ATPases, ABC exporters) or new families with unknown functions. These results lead us to formulate hypotheses regarding the CoBaHMA domain function (2). We also proposed a robust model for the individual glycine zipper from which the name of the C-terminus domain (GlyZip)3 of calcyanins comes from. These glycine zippers have a structure of a compact hairpin made of two helices, which is akin to the ones of transmembrane proteins that form pore. However, we were not able to model satisfyingly their assembly nor their possible interactions with the CoBaHMA domain, emphasizing the importance of studying the protein experimentally. We successfully expressed calcyanin in Eschericha coli, and purified it. However the protein proved to be quite unstable, with a propensity to form a great diversity of objects with different sizes. A limited proteolysis experiment revealed the existence of a protease-resistant fragment of calcyanin, which encompasses the CoBaHMA domain and the first glycine zipper of the (GlyZip)3 domain. We expressed and purified this fragment, fused to MBP (« Maltose Binding Protein »). The fragment forms only one object in solution, but is prone to precipitation once separated from MBP. Yet we have successfully obtained crystals of this fragment, which pave the way to solve its experimental 3D structure. Calcyanin is a difficult protein to work with, both experimentally and by bioinformatics. But we managed to model and characterize several of its fragments. From that, we inferred relevant information on calcyanin. More specifically, we highlighted a new family of domains, CoBaHMA, which presence on other protein architectures opens up new hints to understand its function and evolution. (1) Benzerara et al., 2022 14(3): evav026. doi :10.1093/gbe/evac026. (2) Gaschignard et al., En préparation

Les stromatolites sont des roches organo-sédimentaires laminées composées de carbonates de Ca et/ou Mg mais également de silicates de Mg dans certains cas. Les processus impliqués dans leur formation restent encore mal compris. L’objectif central de cette thèse est de mieux comprendre les processus géochimiques et géomicrobiologiques permettant de favoriser ou au contraire de défavoriser la formation des carbonates et silicates de magnésium dans les environnements lacustres alcalins mexicains. Deux axes principaux ont été développés. Le premier axe s’est focalisé sur les analyses de souches formant des carbonates de calcium amorphes (ACC) intracellulaire (ACC+) ou non. Une grande diversité de souches de cyanobactéries a été analysée pour leur capacité à incorporer le Ca. De plus, l’impact des alcalino-terreux sur la croissance de certaines de ces souches a été déterminé. A partir de cette étude, nous avons mis en évidence que les souches de cyanobactérie ACC+ incorporent plus de Ca que les autres et qu’elles le stockent principalement dans les inclusions d’ACC et dans les polyphosphates (polyP). De plus, nous avons déterminé que les souches ACC+ ont relativement plus besoin de Ca pour leur croissance et certaines d’entre elles sont capables de substituer le Ca par du Sr et Ba. Nous proposons que les inclusions d’ACC 1) peuvent servir de ballasts, 2) peuvent tamponner le pH intracellulaire et équilibrer la formation d'hydroxyde par conversion de HCO3 en CO2 lors de la fixation du carbone et 3) alternativement, ils peuvent servir de forme de stockage de carbone inorganique disponible pour les cellules sur des périodes limitées en C. De plus, les polyP pourraient être impliqués dans le stockage de Ca. Plus largement, les cyanobactéries ACC+ pourraient favoriser la dissolution de carbonate de Ca et par extension celle des stromatolites. Le second axe s’est intéressé à l’étude de la formation de silicates de magnésium dans les sédiments et mésocosmes analogues de 3 lacs alcalins mexicains mais également par des expériences de biominéralisation. Les analyses minéralogiques et chimiques des silicates de magnésium ont été couplées aux caractérisations géochimiques des solutions. L’étude des sédiments a montré la formation de deux smectites, l’une pauvre et l’autre riche en Al et également de smectite ferrugineuse ou sans forte teneur en Fe. Plusieurs interprétations ont été proposées quant à leur formation : 1) la dissolution conjointe d’hydromagnésite et des frustules de silice biogénique, 2) elle est héritée de la colonne d’eau, 3) est liée à l’altération des feldspaths dans les sédiments et 4) à la biominéralisation dans la colonne d’eau. Il a également été montré qu’une souche de cyanobactéries est capable d’induire la précipitation de silicates de magnésium en milieu non tamponné. Dans les mésocosme des lacs alcalins, la formation de silicate de Mg serait directement liée à la composition minéralogique des microbialites, et possiblement des diatomées permettant l’apport de Si dans la solution et localement dans le biofilm, et est biologiquement influencée par les EPS des communautés microbiennes<br>Stromatolites are laminated organo-sedimentary rocks composed of Ca and/or Mg carbonates but also Mg-silicates in some cases. The processes involved in their formation are still poorly understood. The main goal of this thesis was to better understand the geochemical and geomicrobiological processes that favor the formation or dissolution of carbonates and Mg-silicates in Mexican alkaline lacustrine environments. Two main axes have been developed. The first axis focused on the study of 52 cyanobacterial strains, some forming ACC intracellular, others not forming ACC. The strains were analyzed for their ability to incorporate Ca. The impact of alkaline earth elements on the growth of some of the strains was determined. In this study we have shown that ACC+ cyanobacterial strains incorporate more Ca than others and they store this Ca strongly in ACC and in polyP. In addition, we determined that ACC+ strains need more Ca for their growth and some of them are capable to substitute Ca by Sr and Ba for this purpose. We propose that ACC inclusions 1) can serve as ballasts, 2) can buffer intracellular pH and balance the formation of HCO3 conversion hydroxide to CO2 during carbon fixation and 3) available inorganic carbon storage for carbon dioxide. In addition, polyP could be involved in Ca storage. More broadly, ACC+ cyanobacteria have contributed to the dissolution of calcium carbonate and by extension stromatolites. The second axis focused on the study of Mg-silicate formation in sediments and mesocosms of 3 Mexican alkaline lakes but also in laboratory experiments. Mineralogical and chemical analyzes of magnesium silicates have been coupled with geochemical characterization of the solutions. The study of sediments showed the formation of an Al-low and an Al-rich stevensite-like phase and of ferrous or non-ferrous saponite-like. Several interpretations have been proposed regarding their formation: 1) dissolution of hydromagnesite and biogenic silica frustules, 2) it is inherited from the water column, 3) it is related to the alteration of feldspaths within sediments and 4) biomineralization in the water column. It has also been shown that a cyanobacterial strain was able to induce precipitation of magnesium silicates in an unbuffered medium. Mg-silicate formation in mesocosms from alkaline lakes is thought to be directly related to the mineralogical composition of microbialites, and possibly diatoms that allow Si to be introduced into the solution and locally into the biofilm and is biologically influenced by microbial community EPS

La biominéralisation de sulfures métalliques est observée tant dans des cultures microbiennes que dans la nature. Cependant, seulement quelques cas ont été définis comme étant des processus biologiquement contrôlés comme cela est le cas pour la greigite produite par les bactéries magnétotactiques. Pendant ma thèse, j'ai découvert un nouveau type de biominéralisation intracellulaire de sulfure métallique en étudiant l'impact du cuivre sur la biominéralisation de la greigite par la bactérie Desulfamplus magnetovallimortis BW-1.Le biominéral que j'ai identifié a une structure et une organisation cristalline originales. Les particules sont de morphologie sphérique ou ellipsoïdale et composées de sous-grains de 1 à 2 nm de sulfure de cuivre hexagonal qui reste dans un état métastable. Les particules sont situées dans le périplasme, et sont entourées d'une substance organique. Sur la base de ces observations, j'ai conclu que le biominéral est produit et conservé grâce à un contrôle biologique. En conséquence, j'ai mené des études de protéomique pour trouver des protéines associées au processus qui ont mis à jour deux protéines périplasmiques, une protéine résistante aux métaux lourds et une protéase de type DegP, qui fonctionnent probablement ensemble pour réagir au stress causé par le cuivre.Une telle biominéralisation intracellulaire est spécifique à BW-1et n'est initiée que par les ions cuivre, mais pas par d'autres ions métalliques comme le nickel, le zinc ou le cobalt. Mes recherches de doctorat révèlent donc des caractéristiques inconnues de la biominéralisation des sulfures métalliques, en particulier au sein des bactéries magnétotactiques<br>Biomineralization of metal sulfides has been broadly observed in microbial cultures and in nature. However, only a few cases have been reported as biologically-controlled processes, such as greigite produced by magnetotactic bacteria. I discovered a new type of intracellular metal sulfide biomineralization, while studying the impact of copper on greigite biomineralization by the magnetotactic bacterium Desulfamplus magnetovallimortis strain BW-1.The newly discovered metal sulfide biominerals are nanoscopic particles and have an interesting crystal structure and organization. These spherical or ellipsoidal particles are composed of 1-2 nm-sized sub-grains of hexagonal copper sulfide that remains in a metastable state. The particles are located in the periplasmic space, surrounded by an organic substance. Based on these observations, it was concluded that the biomineral produced and conserved is a result of biological control. Proteomics studies with cellular and particulate samples identified several proteins associated with the process. The initial result showed that two periplasmic proteins, a heavy metal resistant protein, and a DegP-like protease, are likely working together to react to the envelope stress caused by copper. Such intracellular biomineralization is organism-specific and only initiated by the increase of copper ions, but not by other metal ions like nickel, zinc, or cobalt. Overall, my work reveals unknown features of metal sulfide biomineralization, specifically within magnetotactic bacteria

Les cyanobactéries sont des microorganismes photosynthétiques qui ont joué un rôle important dans la formation des dépôts sédimentaires de carbonate de calcium (CaCO3). Pendant longtemps on considérait que cette biominéralisation se produisait uniquement à l'extérieur des cellules et était par conséquent le résultat indirect de leur métabolisme photosynthétique. Cependant, récemment, plusieurs espèces de cyanobactéries formant des inclusions intracellulaires de CaCO3 amorphe (iACC) dans des conditions thermodynamiques défavorables ont été isolées dans divers environnements. A ce jour, le(s) mécanisme(s) moléculaire(s) de ce processus reste(nt) inconnu(s). Une approche in-silico a permis d'identifier un gène orphelin nommé ccyA, présent dans toutes les cyanobactéries formant des iACC et absent du génome des autres, comme étant un marqueur de la formation des iACC.L'objectif de cette thèse était d'identifier in vivo la fonction de la protéine codée par gène ccyA et son rôle potentiel dans la formation des iACC. Les connaissances sur les espèces formant des iACC étaient très limitées. C'est pourquoi, diverses stratégies pour obtenir un mutant de délétion du gène ccyA ont été développées pour plusieurs espèces. De multiples tentatives pour obtenir un mutant par la méthode classique de transformation naturelle ont échoué. Par conséquent, le système CRISPR/Cas12a, nouvellement développé pour d'autres espèces a été adapté et a permis de déléter avec succès les gènes codant pour le glutathion réductase (gor) et un échangeur Ca2+/H+ (cax) de toutes les copies de chromosome de la cyanobactérie unicellulaire Cyanothece PCC 7425. Cependant, seul des mutants ΔccyA avec une croissance altérée et possédant encore des copies du chromosome sauvage ccyA+ ont été obtenus. Ces mutants ne possèdent pas ou peu granules d'iACC. Ces résultats suggérent que ccyA serait essentiel à la viabilité cellulaire et interviendrait directement ou indirectement dans les mécanismes de formation des iACC.La famille des protéines codées par ccyA, les calcyanines, contient quatre types distincts de domaines N-terminaux. De ce fait, l'effet de la surexpression de divers ccyA a été testée sur la croissance limitée de Cyanothece PCC 7425 dans les conditions de faible teneur en calcium (Ca). Uniquement, la surexpression de son propre gène ccyA a permis d'améliorer très significativement la croissance dans ces conditions et d'augmenter la teneur en Ca et le nombre d'inclusions de CaCO3.Dans l'ensemble, ces résultats suggèrent que la calcyanine jouerait un rôle direct ou indirect dans l'homéostasie du calcium crucial pour la formation des iACC. D'autres travaux portant sur les transporteurs de calcium sont également présentés. Avec la manipulation génétique maitrisée, Cyanothece PCC 7425 émerge donc comme un modèle important pour mieux comprendre le(s) mécanisme(s) de la biominéralisation intracellulaire chez les cyanobactéries<br>Cyanobacteria are photosynthetic microorganisms that have played an important role in the formation of calcium carbonate (CaCO3) sedimentary deposits. The CaCO3 biomineralization was thought to occur only extracellularly as a byproduct of their photosynthetic metabolism. However, recently several cyanobacterial species forming intracellular amorphous CaCO3 (iACC) inclusions in thermodynamically unfavourable conditions were isolated from various environments. The molecular mechanism(s) of this biomineralization process remains unknown. Subsequently, an in-silico approach allowed identification of an orphan gene named ccyA, present in all iACC forming cyanobacteria and absent in genome of other cyanobacteria, as a marker of iACC formation.The objective of this thesis was to identify the in vivo function of the ccyA gene and its potential role in iACC formation. The limited studies on iACC forming cyanobacteria have hindered progress of their genetic development. As a result, various strategies were explored across different strains to obtain a ccyA knockout mutant. Multiple attempts to obtain a ccyA mutant through natural transformation were unsuccessful. Consequently, the widely used CRISPR/Cas12a system was adapted, enabling the successful deletion of the genes encoding glutathione reductase enzyme (gor) and a Ca2+/H+ exchanger (cax) in the unicellular cyanobacterium Cyanothece PCC 7425. However, attempts to delete ccyA resulted in only a partial deletion, suggesting its essential role in cell viability. More importantly, partial deletion of the ccyA gene impaired growth and disrupted formation of iACC inclusions.Given that the ccyA-encoded protein family, Calcyanin, contains four distinct types of N-terminal domains, the impact of overexpressing various ccyA genes was evaluated on the restricted growth of Cyanothece PCC 7425 under low calcium conditions. The overexpression of only its own ccyA gene rescued growth under these conditions and the mutant had increased calcium content with more CaCO3 inclusions.Overall, these results suggest a crucial role of calcyanin in iACC formation potentially through a direct/indirect role in calcium homeostasis. Some additional work focusing on calcium transporters is also reported. With the newly established genetic manipulation, Cyanothece PCC 7425 emerges as an important model to better understand the iACC formation mechanism(s)