Méthylation du mercure par les microorganismes: de la cellule à l'environnement – MicroMer

Les études sont menées sur des sulfato-réducteurs modèles, Pseudodesulfovibrio hydrargyri BerOc1 capable de méthyler le IHg et de déméthyler le MMHg et sur deux souches capables uniquement de déméthyler le MMHg, Pseudodesulfovibrio piezophilus C1TLV30 et Desulfovibrio alaskensis G20. Des mutants de P. hydrargyri BerOc1 délétés des gènes intervenant dans la reconnaissance, la méthylation et l’export de Hg seront générés. L’expression hétérologue de ces gènes dans D.o alaskensis G20 et P. piezophilus C1TLV30 sera également réalisée. Par évolution adaptative, nous produirons des mutants de P. hydrargyri BerOc1 hyper-méthylants et hyper-déméthylants. L’impact sur 1) la méthylation et la déméthylation, 2) la spéciation et les ligands (thiols) et 3) la localisation des formes de Hg sera déterminé chez ces mutants. MicroMer explore une approche originale de travail, basée sur des résultats préliminaires solides, pour décoder les transformations du Hg. Le couplage des approches de génétique, de physiologie bactérienne, des méthodes d’imagerie (nano fluorescence X et microscopie électronique) et de spectroscopie d’absorption X et de masse est unique et innovante ; elle amènera des résultats originaux sur les transformations de Hg. Le projet MicroMer inclue également un volet environnemental permettant de définir dans quelle mesure les mécanismes décrits dans les modèles bactériens sont répandus. Par des méthodes de métagénomique et métatranscriptomique conduites sur les sédiments issus de l’Etang de Berre, d’où P. hydrargyri BerOc1 a été isolée, nous évaluerons la représentativité du mécanisme cellulaire de transformation de Hg identifié. En parallèle, nous déterminerons la diversité et l’expression des marqueurs génomiques impliqués dans la transformation de Hg ainsi que leur dynamique dans des cycles journaliers et saisonniers.

La spéciation du Hg est considérée à l’heure actuelle comme un facteur clé déterminant la disponibilité du Hg et donc la production nette de MMHg par les microorganismes. L’étude des mutants de P. hydrargyri BerOc1 incapables de méthyler le Hg(II) a montré une spéciation de ce Hg(II) différente de la souche sauvage, suggérant que la cellule modifie la spéciation du Hg(II) lors du processus de méthylation. D’autres mutants de P. hydrargyri BerOc1, délétés de plusieurs gènes impliqués dans la résistance, sensing ou efflux de métaux ont montré que l’accumulation à l’intérieur de la cellule du Hg(II) est affectée, mais pas celle du MMHg. De plus, les transformations du Hg (méthylation du Hg(II) ou déméthylation du MMHg) sont altérées. On montre alors un couplage de la spéciation du Hg(II), de l’accumulation intracellulaire et des transformations de Hg par la cellule. Ces résultats permettront in fine, la production d’un modèle de détection du Hg par la cellule, spéciation dans l’environnement cellulaire et à l’intérieur de la cellule, transformation du Hg à l’intracellulaire et export de différentes formes de mercure. Nous avons pu obtenir des souches adaptées à des fortes concentrations de mercure (jusqu’à 40µM de Hg(II)), dont l’étude physiologique et moléculaire est en cours. Nous avons également réalisé l’expression hétérologue des gènes hgcAB dans une souche sulfato-réductrice non-méthylante et obtenu une activité de méthylation du Hg(II). Ces différentes souches devraient assoir le modèle généré quant au lien entre spéciation du Hg, physiologie cellulaire, génomique, génétique et production de méthyl mercure.
Le modèle ainsi généré est conforté par le fait que la souche modèle utilisée dans cet étude (P. hydrargyri BerOc1) est retrouvée systématiquement lors des différentes campagnes de prélèvement de son environnement d’origine (Etang de Berre, sur la côte méditerranéenne française), soulignant la représentativité de cette souche modèle dans l’environnement. De façon plus significative, lors de certaines campagnes, la population associée à cette souche dominait clairement la communauté de microorganismes capables de méthyler le Hg(II) (Vigneron et al., 2021).

Le travail se poursuit par des expérimentations visant la génération d’autres mutants adaptés à des fortes concentrations en MMHg, ainsi que des mutants de P. hydragyri BerOc1 délétés d’autres gènes ciblés. La caractérisation physiologique, génomique et génétique de ces souches permettra de compléter le modèle qui se dessine actuellement. Certains des gènes sélectionnés lors de l’étude des différentes souches mutantes de P. hydragyri BerOc1 seront alors utilisés pour réaliser une expression hétérologue chez les souches de sulfato-réducteurs incapables de produire du MMHg. Les approches d’imagerie viendront compléter les données déjà acquis sur la localisation et la spéciation du mercure.

Publications dans des revues à comité de lecture:
- Vigneron A, Cruad P, Aubé J, Guyoneaud R, Goñi-Urriza M. 2021. Transcriptomic evidence for versatile metabolic activities of mercury cycling microorganisms in brackish microbial mats. npj Biofilms and Microbiomes, 7, 83 DOI: 10.1038/s41522-021-00255-y
- Bakour I, Isaure MP, Barrouilhet S, Goñi-Urruza M, Monperrus M. 2023. Coupling fluorescent probes to characterize S-containing compounds in a sulfate reducing bacteria involved in Hg methylation. Talanta, 7, 100228
- Barrouilhet S, Monperrus M, Tessier E, Khalfaoui-Hassani B, Guyoneaud, Isaure MP, Goñi-Urriza M. 2023. Effect of exogenous and endogenous sulfide on the production and the export of methylmercury by sulfate reducing bacteria. Environmental Science and Pollution Research, 30, 3835-3846.

Présentation dans des colloques scientifiques:
- Barrouilhet S., Isaure M-P, Dolla A., Gassie C., Khalfaoui-Hassani B., Guyoneaud R., Monperrus M., Goñi Urriza M. (2023) First evidence of a mercury resistance mechanism in an anaerobic bacterium: impact on mercury sensitivity, accumulation and, methylation. Goldschmidt2023, 9-14 July. Oral
- Barrouilhet S., Isaure M-P, Dolla A., Gassie C., Le Bars M., Khalfaoui-Hassani B., Guyoneaud R., Monperrus M., Goñi Urriza M. (2022). Identification d’un premier mécanisme de résistance au mercure chez les bactéries anaérobies : mise en évidence d’une autre voie que l’opéron mer. 17th Conference of the Société Française de Microbiologie, 3-5 October 2022, Montpellier, France. Poster
- Le Bars M., Barrouilhet S., Monperrus M., Goñi Urriza M., Rovezzi R., Salomé M., Isaure M-P. (2022). Mercury methylation and transformations by the sulfate reducing bacterium Pseudodesulfovibrio hydrargyri combining synchrotron cryo-nano-XRF, XRF tomography and HERFD-XANES. 30th Goldschmidt Conference, 10-15 July 2022, Honolulu, Hawaï, USA (on site and virtual). Oral
- Bakour I., Barrouilhet S., Goñi Urriza M., Isaure M-P, Monperrus M. (2022). Coupling fluorescent probes to characterize S-containing compounds in a mercury methylating sulfate reducing bacteria. 15th International Conference on Mercury as a Global Pollutant, 24-29 July 2022, Cape Town, South Africa (Virtual). Oral
- Bakour I., Isaure M-P, Barrouilhet S., Goñi Urriza M., Monperrus M. (2023) Impact of Cysteine on Hg Methylation and Demethylation in the Sulfate Reducing Bacterium Pseudodesulfovibrio hydrargyri BerOc1. ICOBTE/ICHMET22. ICOBTE/ICHMET23 6-10 September. Wuppertal, Germany. Oral

Le mercure (Hg) est un polluant global qui peut se transformer en monométhylmercure (MMHg) un composé neurotoxique, bioamplifié et bioaccumulé dans les chaines trophiques. Les microorganismes régulent le niveau de MMHg directement (par méthylation de Hg inorganique (IHg) et par déméthylation de MMHg) ou indirectement (en modifiant les conditions redox jouant sur la biodisponibilité de Hg). La compréhension des processus de biotransformation de Hg dans l’environnement est une étape clé dans l’analyse du risque lié au Hg dans l’écosystème et pour la santé humaine. Il est important de développer des études à l’échelle cellulaire afin de comprendre les biotransformations de Hg en terme de déterminisme génétique, de voies de transformation et de paramètres environnementaux qui les régulent.

L’objectif de MicroMer est de caractériser les processus de méthylation du Hg et de déméthylation du MMHg au niveau cellulaire et environnemental. Au niveau cellulaire, le projet vise à déterminer: 1) la spéciation de Hg dans l’environnement cellulaire, 2) le mécanisme de reconnaissance de Hg, 3) les étapes de spéciation intracellulaire et 4) les voies d’export. Notre hypothèse est que les processus de méthylation et déméthylation sont couplés et que ces processus sont déterminés par l’import mais aussi l’export de Hg. Ainsi, le rôle dans les transformations du Hg de la distribution cellulaire du Hg et de sa spéciation dans les compartiments intra et extra cellulaires, seront déterminés. Les études seront menées sur des sulfato-réducteurs modèles, Pseudodesulfovibrio hydrargyri BerOc1 capable de méthyler le IHg et de déméthyler le MMHg et sur deux souches capables uniquement de déméthyler le MMHg, Pseudodesulfovibrio piezophilus C1TLV30 et Desulfovibrio alaskensis G20. Des mutants de BerOc1 délétés des gènes intervenant dans la reconnaissance, la méthylation et l’export de Hg seront générés. L’expression hétérologue de ces gènes dans G20 et C1TLV30 sera également réalisée. Par évolution adaptative, nous produirons des mutants de BerOc1 hyper-méthylants et hyper-déméthylants. L’impact sur 1) la méthylation et la déméthylation, 2) la spéciation et les ligands (thiols) et 3) la localisation des formes de Hg sera déterminé chez ces mutants. MicroMer explore une approche originale de travail, basée sur des résultats préliminaires solides, pour décoder les transformations du Hg. Le couplage des approches de génétique, de physiologie bactérienne, des méthodes d’imagerie (nano fluorescence X et microscopie électronique) et de spectroscopie d’absorption X et de masse est unique et innovante ; elle amènera des résultats originaux sur les transformations de Hg. Le projet MicroMer inclue également un volet environnemental permettant de définir dans quelle mesure les mécanismes décrits dans les modèles bactériens sont répandus. Par des méthodes de métagénomique et métatranscriptomique conduites sur les sédiments issus de l’Etang de Berre, d’où BerOc1 a été isolée, nous évaluerons la représentativité du mécanisme cellulaire de transformation de Hg identifié. En parallèle, nous déterminerons la diversité et l’expression des marqueurs génomiques impliqués dans la transformation de Hg ainsi que leur dynamique dans des cycles journaliers et saisonniers.

Le projet MicroMer propose l’étude des processus de transformation de Hg par les bactéries par une approche interdisciplinaire. Le projet regroupe des équipes (IPREM, MIO et BIC) qui ont développé une expertise exceptionnelle dans tous ces domaines, expertises qui seront utilisées pour répondre à des questions fondamentales. Les implications environnementales et de santé publique envisagées à partir des résultats de ce projet de recherche sont d’un intérêt majeur. Ils fourniront des informations clés sur la production de MMHg essentielles à l’évaluation du risque “mercure”, à la gestion et au développement durable.