Bases génomiques et moléculaires de la piézophilie chez Pyrococcus yayanosii CH1, un piézophile obligatoire – Living Deep

Ce projet vise à établir les bases génétiques de l'adaptation à la vie sous hautes pressions hydrostatiques (HPH) ou piézophilie, en étudiant l'influence des HPH sur les cellules d'un organisme piézophile obligatoire isolé des évents hydrothermaux profonds, d'un niveau global, cellulaire, à un niveau particulier, à l'échelle de la molécule, par des méthodes complémentaires (dynamique moléculaire, biochimie in situ, biologie structurale, protéomique et transcriptomique).
Nous savons aujourd'hui que la majorité des biotopes terrestres sont des environnements extrêmes profonds, qu'ils abritent la majorité de la biomasse terrestre, et que celle-ci est majoritairement unicellulaire et procaryote (70% du nombre de cellules, 50% de la biomasse). Cette biosphère profonde est localisée dans les profondeurs des océans et de la croûte terrestre, en dessous de 1000m. Ces environnements, majoritairement oligotrophes et sous HPH, sont mal connus en termes de diversité et d'adaptation environnementale. Il y a un intérêt croissant pour ces environnements, comme le reflète la création récente de projet d'étude de la biosphère profonde : "Ocean Observatories Initiative" de la NSF et "Deep Carbon Observatory" de la fondation A. P. Sloan. Cet effort multidisciplinaire se concentre sur la compréhension du rôle des microorganismes dans le cycle du carbone dans la biosphère profonde dans un contexte sociétal tendu sur les problèmes énergétiques et de recyclage du carbone. Parmi les biotopes profonds, les évents hydrothermaux sont les plus surprenants, car bien qu'extrêmes trophiquement et thermiquement, ils abondent d'une vie diversifiée. Cette production primaire est basée sur la chimiolithotrophie anaérobie des fluides hydrothermaux qui percolent dans le plancher océanique. Ainsi, ce sont les seuls écosystèmes indépendants de la photosynthèse connus sur Terre.
Nous proposons de regrouper les compétences de cinq laboratoires pour explorer les bases de l'adaptation à la HPH chez l'archée hyperthermophile et piézophile obligatoire Pyrococcus yayanosii. Les 5 axes du projet correspondent aux 5 étapes d'une séquence analytique de caractérisation de l'impact des HPH sur les systèmes biologiques. Nous mesurerons la fitness et l'adaptation des cellules entières à la HPH reflétée dans la dynamique moléculaire par diffusion des neutrons (axe 1). Nous explorerons le génome pour extraire les adaptations et les motifs adaptatifs contenus dans les protéines des piézophiles (axe 2).Ces données seront complétées par une exploration systématique des transcriptomes et protéomes des piézophiles en fonction des conditions de pression pour isoler la composante liée à l'expression du génome (Axe 3). Les caractéristiques biochimiques et les paramètres enzymatiques des protéines ainsi identifiées (axes 2 et 3) seront obtenues par spectroscopie in situ (Raman, IR, X-ray) (axe 4 et 5). Enfin les structures cristallographiques, dynamiques moléculaires et paramètres enzymatiques des protéines les plus importantes, ainsi que de 2 protéines modèles (MalDH/LDH, aminopeptidases) seront déterminées par cristallographie X (axe 4). Ces résultats nous permettront d'élucider les relations structure/adaptation à la HPH.
En bref, ce projet propose : i) d'identifier les signatures moléculaires de la HPH, ii) de caractériser les structures des protéines piézophiles, iii) d'élucider l'histoire évolutive vers/depuis la piézophilie, iv) de déterminer les réseaux de régulation et de métabolisme, et v) d'identifier un marqueur de la piézophilie. Ce projet est une première étape pour la définition de méthode de caractérisation de l'abondance et de l'activité de la vie dans la biosphère profonde. Il doit fournir des données importantes permettant le génie génétique d'enzyme à fort potentiel biotechnologique.