Distribution et dynamique du processus OXPHOS – D2OX

La conversion de l'énergie chez la plupart des organismes vivants implique un gradient électrochimique transmembranaire de protons maintenu par l'activité de transporteurs de protons associés à la membrane connectés les uns aux autres par des navettes électroniques, les quinones, il s’agit du processus dit de phosphorylation oxydative (i.e. OXPHOS). À ce jour, le niveau élevé de connaissance de la structure et de la fonction de ces protéines contraste fortement avec la faible compréhension de la relation entre la distribution et la diffusion des composants de l'OXPHOS et l'efficacité du processus. Récemment, nous avons démontré que deux complexes OXPHOS (la formate déshydrogénase N et la nitrate réductase A) sont organisés en nanodomaines enrichis aux pôles de la cellule dans la bactérie Escherichia coli lorsqu’ils participent à une chaîne de transfert d’électrons dédiée à l’utilisation du nitrate et contribuant ainsi à la croissance bactérienne. Notre hypothèse de travail est que le regroupement des complexes OXPHOS en nanodomaines facilite le turnover des quinones et rend compte d’un fonctionnement efficace de l'OXPHOS. Le projet D2OX a deux objectifs : (1) fournir pour la première fois une description quantitative et exhaustive de la distribution et de la dynamique d'une chaîne entière de transfert d'électrons à l’échelle de la molécule et de la cellule unique et (2) révéler l'importance fonctionnelle de l’organisation de l'OXPHOS. Ici, en combinant des approches de microscopie à fluorescence de haute résolution spatiale et temporelle avec des approches physiologiques, cinétiques et physico-mathématiques, nous approfondirons nos connaissances sur l'organisation de l’OXPHOS dans les cellules bactériennes et obtiendrons une compréhension à l’échelle moléculaire de l'importance biologique de l'organisation spatio-temporelle sur le processus OXPHOS. Nous nous concentrerons sur la formiate déshydrogénase N fournissant des électrons au pool de quinones, la nitrate réductase A en tant que réductase terminale réceptrice d'électrons, les quinones elles-mêmes et l'ATP synthase dissipant la force protonmotrice établie par le fonctionnement de la chaine de transfert d’électrons décrite et reconnue jouer un rôle primordial dans la croissance de bactéries pathogènes chez l’Homme. Le projet interdisciplinaire D2OX, décliné en trois tâches, est basé sur l'échange itératif d'informations entre les résultats expérimentaux et théoriques. La tâche 1 permet de décrire l'organisation et la dynamique de tous les acteurs dans des conditions physiologiques à l’échelle de la molécule et de la cellule unique, répondant ainsi au premier objectif du projet. Alimentée par les données expérimentales de la tâche 1, la tâche 2 décrit le système à l'aide de modèles physico-mathématiques, identifie les paramètres clés, étudie leur influence sur l’organisation des complexes et prédit la vitesse de consommation du nitrate. La tâche 3 vise à perturber le système à l'aide d'outils génétiques et à évaluer les répercussions spatio-temporelles mais aussi fonctionnelles sur le fonctionnement de la chaine de transport d’électrons. En particulier, l'importance de la fluidité membranaire, des lipides anioniques, du cytosquelette, de la teneur en quinone et des conditions métaboliques sera évaluée. Enfin, grâce aux données expérimentales obtenues sur les conditions perturbées dans la tâche 3, la tâche 2 testera les modèles et corrélera l'organisation et les paramètres dynamiques avec les données cinétiques. Le second objectif du projet sera atteint par la coopération mutuelle des tâches 1 à 3.
En résumé, l'originalité du projet interdisciplinaire D2OX est d'aller au-delà de l'étude actuelle du processus OXPHOS. Un rôle pour la distribution et la dynamique des composants de l'OXPHOS en tant que déterminant fort de l'efficacité de l'OXPHOS a d’importantes implications pour d'autres aspects de la physiologie cellulaire qui répondent à la disponibilité des nutriments.