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Etude génétique du métabolisme énergétique d’Acidithiobacillus ferrooxidans et de Thiomonas arsenitoxydans
Mots clés : Acidithiobacillus ferrooxidans, Thiomonas, acidophile, oxydation du fer, oxydation des composés réduits du soufre, oxydation de l’arsenic, tolérance aux métaux et métalloïdes
OBJECTIFS GENERAUX
Les eaux de drainage de mines abandonnées constituent un risque environnemental car ce biotope drastique est caractérisé par son pH acide, sa faible teneur en composés organiques et sa concentration élevée en métaux ou métalloïdes dont la plupart sont considérés comme toxiques. Cependant, des microorganismes tels que Acidithiobacillus (At.) ferrooxidans et Thiomonas (Tm.) arsenitoxydans prospèrent dans ces habitats extrêmes et y jouent un rôle primordial en contrôlant leur géochimie. Tm. arsenitoxydans est versatile dans le sens où c’est une acidophile modérée qui peut utiliser des substrats organiques ou inorganiques mais sa caractéristique la plus fascinante est qu’elle est capable de tirer de l’énergie de l’oxydation de l’arsénite. Au contraire, At. ferrooxidans est une autotrophe stricte qui ne peut pousser qu’à de très bas pH en utilisant des substrats inorganiques. Ce microorganisme est capable de vivre sur des cailloux de "l’air du temps" en fixant le dioxyde de carbone et l’azote gazeux en utilisant l’énergie de l’oxydation des formes réduites du fer et du soufre présentes dans les minerais. Le sujet principal du groupe est de comprendre comment ces deux Protéobactéries tirent profit de cet environnement hostile, en se focalisant sur l’oxydation du fer ferreux (Fe(II)) et des composés réduits inorganiques du soufre (CRISs) par At. ferrooxidans d’une part, et de l’arsénite par Tm. arsenitoxydans d’autre part, en utilisant comme approche la génétique moléculaire et la génomique fonctionnelle.
RESULTATS SIGNIFICATIFS RECENTS
Hétérogénéité phylogénétique et physiologique parmi les Acidithiobacillus spp. oxydant le fer (collaboration avec le groupe de D. B. Johnson ((Bangor University, Royaume-Uni) et d’Emmanuel Talla (Laboratoire de Chimie Bactérienne, Marseille, France)).
Les acidithiobacilli qui oxydent le fer comprennent au moins quatre espèces distinctes, incluant les espèces déjà caractérisées At. ferrooxidans et At. ferrivorans. Même si ces espèces ont beaucoup de traits physiologiques en commun, elles diffèrent sur quelques caractéristiques clés telles que le pH et la température de croissance minimum, la motilité et l’efficacité à oxyder les CRISs. De plus, les souches appartenant à deux taxons ne contiennent pas l’archétype du gène codant pour la rusticyanine (rusA) mais plutôt rusB et ils possèdent le gene iro codant pour une protéine à centre fer-soufre de haut potentiel vraisemblablement impliquée dans l’oxydation du Fe(II). Ces resultats suggèrent que les voies d’oxydation du Fe(II) de ces deux taxons sont différentes de celles d’At. ferrooxidans.
Hétérogénéité chimiotaxonomique, physiologique et génétique parmi les espèces d’Acidithiobacillus qui oxydent le fer. Arbre phylogénétique de la concatenation des gènes atpD, recA et nifH (à gauche) et différences physiotypiques et génotypiques (à droite).
Références
Hallberg K. B., A. Amouric, C. Brochier-Armanet, V. Bonnefoy et D. B. Johnson. Physiological and phylogenetic heterogeneity among iron-oxidizing Acidithiobacillus spp., and characteristics of the novel species Acidithiobacillus ferrivorans. Adv. Mat. Res. (2009) 71-73 : 167-170
Amouric A., C. Brochier-Armanet, D. B. Johnson, V. Bonnefoy* et K. B. Hallberg*. Phylogenetic and genetic variation among Fe(II)-oxidizing acidithiobacilli supports the view that these comprise multiple species with different ferrous iron oxidation pathways. Microbiology (2011) 157 : 111-122
* : Ces auteurs ont contribué en parts égales à ce travail
Voies d’oxydation du fer ferreux et des CRISs chez Acidithiobacillus ferrooxidans en conditions oxiques (collaboration avec le groupe de D. S. Holmes (University Andrès Bello, Santiago, Chili)).
La génomique fonctionnelle nous a permis d’accroître notre connaissance sur les chaînes respiratoires impliquées dans l’oxydation du fer ferreux (Fe(II)) et des composés réduits inorganiques du soufre (CRISs) par At. ferrooxidans. Alors que la différence de potentiel redox entre Fe(II)/Fe(III) et O2/H2O est faible, le nombre de transporteurs d’électrons impliqués est étonnamment élevé. Une autre particularité est leur organisation dans la cellule : dans la plupart des chaînes respiratoires, la voie est organisée "horizontalement" avec les protéines redox localisées le long de la membrane cytoplasmique. Dans la voie d’oxydation du fer d’At. ferrooxidans, le nombre de transporteurs d’électrons permet une organisation "verticale" formant un nanoconduit entre le milieu extérieur et le cytoplasme. Cette topographie "verticale" à travers les membranes de la cellule, conduit à la séparation de l’oxydation du Fe(II) et de la réduction de l’O2. D’un côté, cette séparation permet à At. ferrooxidans de maintenir le fer à l’extérieur de la cellule et donc d’éviter la precipitation du Fe(III) au pH neutre du cytoplasme et d’échapper au stress oxydatif dû au Fe(II) réagissant avec l’O2, et de l’autre, de consommer les protons entrant dans la matrice cellulaire à cause de l’énorme gradient de protons, en réduisant l’O2 en H2O dans le cytoplasme.
Modèle des voies d’oxydation du fer ferreux chez Acidithiobacillus ferrooxidans
(d’après Quatrini et al., 2009)
Alors qu’elles ne présentent pas de problèmes thermodynamiques, résoudre les voies d’oxydation des CRISs s’est révélé particulièrement difficile parce que les composés soufrés peuvent exister dans différents états d’oxydation. De plus, certains sont solubles tandis que d’autres sont insolubles, et d’autres sont très réactifs et peuvent être oxydés de façon abiotique. Néanmoins, nos données soutiennent le modèle où ces voies sont pour la plupart organisées de façon classique c’est-à-dire "horizontalement" le long de la membrane interne, permettant la phosphorylation oxidative d’avoir lieu. Cependant, les étapes finales de ces voies ont lieu dans le cytoplasme, permettant l’obtention d’énergie par phosphorylation oxydative.
Modèle des voies d’oxydation des composés réduits inorganiques du soufre chez Acidithiobacillus ferrooxidans
(d’après Quatrini et al., 2009)
Les voies d’oxydation du Fe(II) et des CRISs sont redondantes et branchées, fournissant à At. ferrooxidans un système respiratoire flexible qui doit lui permettre de s’adapter efficacement aux changements environnementaux en modulant l’expression des gènes selon les conditions de croissance prédominantes.
Références
Quatrini R., C. Appia-Ayme, Y. Denis, J. Ratouchniak, F. Veloso, J. Valdes, C. Lefimil, S. Silver, F. Roberto, O. Orellana, F. Denizot, E. Jedlicki, D. S. Holmes et V. Bonnefoy. Insights into the iron and sulfur energetic metabolism of Acidithiobacillus ferrooxidans by microarray transcriptome profiling. Hydrometallurgy (2006) 83 : 263-272
Bruscella P., C. Appia-Ayme, G. Levicán, J. Ratouchniak, E. Jedlicki, D. S. Holmes et V. Bonnefoy. Differential expression of two bc1 complexes in the acidophilic chemolithoautotrophic bacterium Acidithiobacillus ferrooxidans suggests a model for their respective roles in iron or sulfur oxidation. Microbiology (2007) 153 : 102-110.
Holmes, D. S. et V. Bonnefoy. Genetic and bioinformatic insights into iron and sulfur oxidation mechanisms of bioleaching organisms. In Biomining. D. E. Rawlings and D. B. Johnson (Eds.). (2007) p. 281-307. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
*Quatrini, R., C. Appia-Ayme*, Y. Denis, E. Jedlicki, D. S. Holmes et V. Bonnefoy. Extending the models for iron and sulfur oxidation in the extreme acidophile Acidithiobacillus ferrooxidans. BMC Genomics (2009) 10 : 394
* : Ces auteurs ont contribué en parts égales à ce travail
Bonnefoy, V. Bioinformatics and genomics of iron and sulfur oxidizing acidophiles. In Geomicrobiology : Molecular and Environmental perspective. L. Barton, M. Mandl and A. Loy (Eds.) (2010). Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York. p. 169-192.
Bonnefoy V. et D. S. Holmes. Genomic insights into microbial oxidation and iron homeostasis in extremely acidic environments. Submitted to Environ. Microbiol.
Caractérisation chimiotaxonomique de Thiomonas arsenitoxydans (collaboration avec le groupe de D. B. Johnson ((Bangor University, Royaume-Uni) et d’Emmanuel Talla (Laboratoire de Chimie Bactérienne, Marseille, France)).
Une bactérie autotrophe capable de tirer de l’énergie de l’oxydation de l’arsénite en arséniate a été isolée des eaux de drainage acides fortement chargées en arsenic de la mine abandonnée de Carnoulès (Gard). Cette acidophile modérée chimioautotrophe facultative peut utiliser l’arsénite ou le thiosulfate comme donneur d’électrons. La composition en acides gras, les conditions optimales de croissance, l’utilisation de substrats organiques et une analyse de séquence multi loci permettent de dire que cette bactérie, bien que très proche de Tm. intermedia et Tm. perometabolis, représente une nouvelle espèce dont le nom Thiomonas arsenitoxydans a été proposé.
References
Slyemi D., D. Moinier, C. Brochier-Armanet, V. Bonnefoy et D. B. Johnson. Characteristics of a phylogenetically-ambiguous, arsenic-oxidizing Thiomonas sp., Thiomonas arsenitoxydans strain 3AsT sp. nov. Accepted in Arch. Microbiol
Etude génétique des gènes codant pour l’arsénite oxydase de Thiomonas arsenitoxydansT
Les gènes aoxAB codant pour les deux sous-unités de l’arsénite oxydase de Thiomonas arsenitoxydansT ont été séquencés. Ces gènes sont cotranscrits avec les gènes codant pour un métallorégulateur de la famille ArsR/SmtB et deux cytochromes c, vraisemblablement impliqués dans le transfert des électrons entre l’arsénite oxydase et l’oxydase terminale. Cet opéron est plus transcrit en présence d’arsénite ou d’arséniate qu’en leur absence. Le métallorégulateur ne peut être produit chez Escherichia coli qu’en présence d’arsénite ou d’arséniate, qui vraisemblablement le stabilise. Quand il est combiné avec de l’arsénite ou de l’arséniate, il se fixe de façon spécifique à la région de régulation de l’opéron aox permettant sa transcription. Il se comporte donc complètement différemment des autres membres de la famille ArsR/SmtB qui répriment leurs cibles en absence de métaux/métalloïdes.
References
Slyemi D., J. Ratouchniak et V. Bonnefoy. Regulation of the arsenic oxidation encoding genes of a moderately acidophilic, facultative chemolithoautotrophic Thiomonas sp. Adv. Mat. Res. (2007) 20-21 : 427-430
Duquesne K., A. Lieutaud, J. Ratouchniak, A. Yarzabal et V. Bonnefoy. Mechanisms of arsenite elimination by Thiomonas sp. isolated from Carnoulès acid mine drainage. Eur. J. Soil Biol.(2007) 43 : 351-355
Duquesne K.*, A. Lieutaud*, J. Ratouchniak, D. Muller, M-C. Lett et V. Bonnefoy. Arsenite oxidation by a chemoautotrophic moderately acidophilic Thiomonas sp. : from the strain isolation to the gene study. Environ. Microbiol. (2008) 10 : 228-237
* : Ces auteurs ont contribué en parts égales à ce travail
Arsène-Ploetze F., S. Koechler, M. Marchal, J-Y. Coppee, M. Chandler, V. Bonnefoy, M. Barakat, V. Barbe, F. Battaglia-Brunet, C. Brochier-Armanet, O. Bruneel, C. G. Bryan, J. Cleiss, A. Heinrich-Salmeron, F. Hommais, C. Joulian, E. Krin, A. Lieutaud, D. Lièvremont, C. Michel, D. Muller, P. Ortet, C. Proux, P. Siguier, D. Roche, D. Slyemi, E. Talla, S. Weiss, J. Weissenbach, C. Médigue et P. N. Bertin. Structure, function and evolution of Thiomonas spp. inferred from genome sequencing and comparative genomic analysis. PloS Genetics (2010) 6 : e1000859.
