Manipulation des voies de signalisation de l’énergie afin d’améliorer la production de .lipides chez les eucaryotes photosynthétiques – SIGNAUXBIONRJ

Afin d’appréhender l’évolution de voies de signalisation chez les algues et les plantes, nous avons réalisé notre étude chez des algues et des plantes très divergentes : les diatomées et les mousses. Nous avons focalisé notre étude sur la voie de signalisation de la protéine kinase cytosolique TOR (Target Of Rapamycin) qui est conservée chez l’ensemble des eucaryotes y compris les humains et la voie de signalisation du ppGpp (médiée par les nucléotides guanosine penta- and tetraphosphate) dans les chloroplastes. Du fait de la forte conservation de la protéine TOR, nous avons pu utiliser des inhibiteurs sélectifs de cette kinase développés en oncologie et dont nous avons montré l’efficacité pour inhiber cette kinase chez les plantes et les algues et étudier son rôle. Concernant la voie du ppGpp, nous avons développé des systèmes d’induction contrôlée d’une enzyme induisant la synthèse du ppGpp au sein des chloroplastes. Ces outils nous ont permis d’étudier finement le rôle de ces deux voies de signalisation par des approches physiologique, biochimique lipidomique et protéomique.

Nous avons démontré qu’une manipulation de l’activité de la kinase TOR peut conduire à une amélioration de la productivité en TAG chez une microalgue, en comparaison avec une carence an azote, ce qui était l’objectif essentiel du projet. Cette avancée vers une application biotechnologique nécessitera sans doute d’améliorer encore cette productivité en jouant sur des sous-éléments spécifiques de cette voie de signalisation. Nous avons observé une situation plus complexe pour le ppGpp où son accumulation conduit à une accumulation transitoire de TAG au sein d’une gouttelette lipidique chez une diatomée puis à une diminution de l’accumulation de TAG.

La caractérisation de conditions permettant une production de TAG sans compromettre la croissance participerai à lever un verrou important pour l’essor des biocarburants de 3ème génération. Suite à ce projet, des expériences en incubateurs de microalgues à grande échelle pourront être développées.

Harchouni, S., England, S., Vieu, J., Aouane, A., Citerne, S., Legeret, B., Li-Beisson, Y., Menand, B.#, Field, B.# (2021) Guanosine tetraphosphate (ppGpp) accumulation inhibits chloroplast gene expression and promotes super grana formation in the moss Physcomitrium (Physcomitrella) patens. BioRxv doi.org/10.1101/2021.01.06.425534

Avilan, L., Lebrun, R., Puppo, C., Citerne, S., Cuine, S., Li-Beisson, Y., Menand, B., Field, B.#, Gontero, B.# (2021) ppGpp influences protein protection, growth and photosynthesis in Phaeodactylum tricornutum (2021) New Phytologist. doi: 10.1111/nph.17286.

Prioretti, L., Carriere, F., Field, B., Avilan, L., Montané M.-H., Menand, B.#, Gontero, B.# (2020) Minireview: Targeting TOR signaling for enhanced lipid productivity in algae. Biochimie 169, 12-17.

Avilan, L., Puppo, C., Villain, A., Bouveret, E., Menand, B. Field, B.#, Gontero, B.#. (2019) RSH enzyme diversity for (p)ppGpp metabolism in Phaeodactylum tricornutum and other diatoms. Scientific Reports 9, 17682.

Prioretti, L., Avilan, L., Carriere, F., Montané, M.-H., Field, B., Gregori, G., Menand, B.#, Gontero, B.#. (2017). The inhibition of TOR in the model diatom Phaeodactylum tricornutum promotes a get-fat growth regime. Algal Research 26, 265–274.7.

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Harchouni, S., Field, B.#, & Menand, B.# (2018). AC-202, a highly effective fluorophore for the visualization of lipid droplets in green algae and diatoms. Biotechnology for biofuels, 11, 120.

Field (2018) Green magic: regulation of the chloroplast stress response by (p)ppGpp in plants and algae. Journal of Experimental Botany. (2018) May 19;69(11):2797-2807. doi: 10.1093/jxb/erx48

Une énergie alternative prometteuse consiste à utiliser des microalgues telles que les diatomées pour produire des biocarburants (lipides) à partir d’énergie solaire. Cependant, les plus fortes concentrations en lipides de réserve, les triacylglycerols (TAG), sont obtenues en condition de carence qui bloque la croissance et limite le rendement. L’idée de SIGNAUX_BIONRJ est que la manipulation des voies de signalisation du stress et de l’énergie pourrait augmenter l’accumulation de TAG sans compromettre la croissance. Nous étudierons comment deux de ces voies de signalisation majeures, au niveau du chloroplaste et du cytosol, régulent la balance entre croissance et accumulation de TAG. Le niveau de conservation de cette régulation sera étudié chez l’eucaryote photosynthétique modèle Physcomitrella patens, pour lequel nous avons des données préliminaires, et chez deux diatomées ; la diatomé marine Phaeodactylum tricornutum et la diatomée d’eau douce Asterionella formosa. Les trois partenaires de ce projet combinent des expertises sur la signalisation, les microalgues, le métabolisme lipidique, l’enzymologie et la transcriptomique. Ce projet aura un impact global dans les domaines des biotechnologies, de la recherche académique et de la formation de jeunes scientifiques et transmettra au public des connaissances dans un domaine essentiel pour la société.