Adaptation à la pression hydrostatique chez Thermococcus barophilus et autres piezophiles

La biosphère océanique profonde représente l’écosystème le plus vaste de notre planète. Elle est caractérisée par des conditions physico-chimiques extrêmes et notamment par des fortes pressions hydrostatiques. Bien que les profondeurs océaniques (froid/tiède/chaud) hébergent des procaryotes de différents types métaboliques appartenant aux deux domaines du vivant (Archaea & Bacteria), très peu d'entre eux sont piézophiles voire piézophiles stricts.

La piézophilie chez les micro-organismes

Parmi la cinquantaine de procaryotes piézophiles isolés à ce jour, plus de 88% sont des bactéries psychrophiles. Le LM2E a largement contribué à l’isolement de procaryotes piézophiles hyper/thermophiles. En 1999, le laboratoire a isolé l’archée hyperthermophile piézophile Thermococcus barophilus (organisme ayant un optimum de croissance à une pression supérieure à 1 atmosphère). En 2002, c’est l’unique bactérie thermophile et piézophile Marinitoga piezophila qui a été obtenue en culture pure par notre équipe. Enfin, en 2009, nous avons isolé la première et l’unique archée hyperthermophile piézophile stricte Pyrococcus yayanosii CH1 (organisme incapable de pousser à la pression atmosphérique). La présence de procaryotes piézophiles dans les environnements chauds, tièdes et froids des fonds océaniques pose les questions suivantes :

  1. Les procaryotes piézophiles possèdent-ils des métabolismes et des physiologies particulières leurs permettant de jouer un rôle majeur dans les cycles biogéochimiques des environnements océaniques profonds ?
  2. Les piézophiles sont-ils des procaryotes autochtones ou plutôt allochtones (colonisateurs) ? Quels sont les processus de l’évolution et de l’adaptation ayant conduit ces procaryotes à migrer de la surface de l’océan vers les fonds marins ou l’inverse ?
  3. Existe-t-il des écotypes piézophiles et d’autres non piezophiles qui cohabitent dans l’océan profond ? Si oui, lesquels sont plutôt actifs ?

Répondre à toutes ces questions nécessite la combinaison de plusieurs approches biologiques (écologie microbienne, méta/omiques, génétique, physiologie, biochimie, etc). Leur mise en œuvre implique aussi le développement d’instruments permettant d’étudier ces microorganismes de la biosphère profonde dans des conditions mimant au plus proche les conditions extrêmes des fonds marins. Autant de défis scientifiques qui donne lieu à une stratégie active de collaboration au niveau national et international.

Des voies métaboliques piézosensibles

Au niveau national, dans le cadre de l’AAP ANR programme blanc 2010, le LM2E coordonne le projet intitulé « Bases génomiques et moléculaires de la piézophilie chez Pyrococcus yayanosii CH1, un piézophile obligatoire » n°10-BLAN-1725 01 (2010-2014) en partenariat avec Joseph Zaccai (DR CNRS, ILL Grenoble), Vincent Daubin (CR CNRS LBBE Lyon), Philippe Oger (CR CNRS, ENS-Lyon) et Bruno Franzetti (DR CNRS, IBS, Grenoble).

Les résultats de l'approche transcriptomique et protéomique ont montré que l’expression de certains gènes ainsi que la synthèse des protéines correspondantes sont modulées par les variations de la pression hydrostatique chez T. barophilus et d’autres Archaea piézophiles. Plus précisément, cette étude a d'ores et déjà clairement identifié des cibles physiologiques telles que le métabolisme de certains sucres et de certains acides aminés, la biosynthèse d’hydrogène et d’ATP, etc.

L'outil génétique chez les thermo/piézophiles

Afin d’approfondir nos connaissances sur les mécanismes d’adaptation à la pression hydrostatique chez les Archaea piézophiles hyperthermophiles, il est nécessaire d'utiliser une approche génétique en complément aux approches génomiques, transcriptomiques et protéomiques. Pour cette raison, le LM2E a développé les outils génétiques et mis au point les protocoles de transformation de l'organisme hyperthermophile piézophile Thermococcus barophilus. Les résultats obtenus sont très prometteurs et ont démontré que nous pouvons réaliser des manipulations génétiques chez une archée extrêmophile. Cette avancée majeure ouvre de nouvelles perspectives dans la compréhension des mécanismes d’adaptation aux hautes pressions hydrostatiques.

Conjointement à ce volet fondamental, cet outil génétique va ouvrir la voie à des opportunités d’application telles que :

  • La surexpression de protéines hyperthermophiles réfractaires aux protocoles standards de production - chez Escherchia coli par exemple.
  • L'utilisation de ce modèle de la biosphère profonde en biologie synthétique.

Technologies hyperbares

Cet axe de recherche nécessite aussi des développements technologiques d’instruments adaptés permettant de mimer les conditions des environnements océaniques profonds. En collaboration étroite avec l’entreprise HP systems, le LM2E a développé un prototype de bioréacteur hyperbare pour la culture de microorganismes en continu (financements UBO/CNRS/ANR Living Deep). Le LM2E est donc doté d'un moyen unique capable de simuler les conditions de fond de mer (chaude / tiède / froide), conditions requises pour tenter d’isoler de nouveaux microorganismes et faire des études sur des communautés microbiennes issus des environnements océaniques extrêmes et profonds (ex : sources hydrothermales, etc).