Reconstruction des séquences ancestrales et expression fonctionnelle des protéines impliquées dans la biogenèse des magnétosomes bactériens – ANCESMAG

Malgré la simplicité de leur architecture, les procaryotes ont compartimenté des réactions biochimiques spécifiques dans des structures membranaires spécialisées semblables aux organites eucaryotes. Ces microcompartiments organite-like sont fonctionnellement diverses, comprendre les mécanismes impliqués dans leur biogenèse est essentiel à la recherche biologique. Pourtant, on sait que peu de choses sur les différentes étapes évolutives ayant conduit à leur émergence et à leur complexification.
Parmi ces organites procaryotes, le magnétosome est l'un des plus complexes car son assemblage repose sur l'invagination de la membrane cytoplasmique et l'interaction de nombreuses protéines et enzymes pour biominéraliser les minéraux magnétiques. Par rapport à d'autres organites, les propriétés magnétiques du magnétosome permettent de les observer facilement dans les bactéries magnétotactiques (MTB) auxquelles ils sont spécifiques. De plus, le fait que les gènes des magnétosomes soient regroupés au sein d'une région peut faciliter l'étude de leur évolution qui demeure controversée.
La fonction principale connue des magnétosomes est de détecter les lignes du champ géomagnétique pour faciliter la navigation des MTB le long de la zone de transition oxique-anoxique dans les sédiments aquatiques. Toutefois, l'avantage sélectif du magnétosome ancestral dans la première MTB reste inconnu. Avec la diversification des bactéries, les espèces de MTB ont développé des chaînes de magnétosomes de différentes formes et compositions chimiques dans différents genres et embranchements. En l’absence de fossiles procaryotes, il est difficile de déterminer les étapes évolutives ayant conduit les magnétosomes ancestraux à se diversifier au cours des temps géologiques. Toutefois, certaines méthodes phylogénétiques peuvent combler cette lacune. Dans ANCESMAG, nous visons à utiliser une telle approche pour ressusciter la structure et la composition chimique des magnétosomes ancestraux au cours de leur évolution. Grâce à l'expression hétérologue de ces paléoprotéines dans un modèle de MTB, ANCESMAG va révéler comment la biogenèse des magnétosomes a évolué et s'est spécialisée dans les différentes espèces.
Pendant des années, notre consortium a considérablement augmenté les connaissances sur le déterminisme génétique des magnétosomes, ainsi que sur la diversité et la distribution phylogénétique des MTB. La biogenèse du magnétosome repose sur une grande région génomique impliquant plusieurs dizaines de gènes dont 9 sont communs à l'ensemble des MTB. D'autres gènes sont associés à des magnétosomes avec des formes/composition chimiques spécifiques ou à des espèces de MTB distribuées de manière polyphylétique eu sein des bactéries. Dans ANCESMAG, nous allons résoudre l’histoire évolutive des MTB et des gènes des magnétosomes pour proposer une reconstruction solide de séquences ancestrales (ASR) des paléoprotéines et des clusters de gènes. Afin d’augmenter la précision de nos inférences, les génomes de quelques MTB appartenant à des groupes ancestraux seront séquencés et ajoutés à notre base de données génomiques. Après l'annotation fonctionnelle des génomes, l'évolution des espèces bactériennes et des magnétosomes sera inférée à partir de la concaténation des riboprotéines et des protéines des magnétosomes.
A partir de ces arbres, nous modéliserons la séquence ancestrale et la composition du cluster de gènes des paléo-magnétosomes qui sera ensuite caractérisé in vivo. Une souche modèle de MTB spécialement conçue pour l'expression hétérologue des gènes des magnétosomes sera utilisée pour ressusciter les phénotypes ancestraux de l’organite. Une telle approche interdisciplinaire utilisant des méthodes avancées développées en paléogénomique et en biologie de synthèse permettra d'accéder à la biologie passée des organismes, et donc d'améliorer notre compréhension des mécanismes évolutifs conduisant à l'émergence et à la complexification des organites procaryotes.