NSF-ANR: Nanofils de cytochrome: sécrétion, assemblage et function dans le transfert ultra-rapide d'électrons dans les biofilms microbiens – NANOWIRES

La bactérie du sol Geobacter sulfurreducens a la capacité remarquable à former des biofilms à haute conductivité électronique, rivalisant avec celles des polymères synthétiques. Cette conductivité permet aux bactéries de transporter des électrons respiratoires sur des longues distances vers des accepteurs insolubles ou d’autres cellules. Ce processus est essentiel pour leur viabilité, l'environnement, et pour les applications dans la bioénergie, biocarburants et bio-électronique.

Depuis 2005, des milliers d'articles scientifiques postulaient que les biofilms transfèrent des électrons via des nanofils microbiens constitués des pili de type IV. PI Malvankar a récemment résolu la première structure du pilus d'un organisme capable de transfert extracellulaire d'électrons (TEE). Ces pili étaient largement considérés comme extracellulaires alors que nous avons constaté qu'ils restent intracellulaires dans des conditions favorisant TEE et sont exposés à la surface des cellules uniquement lorsqu'ils sont artificiellement surexprimés. On pensait ces pili capables de conductivité, mais nous avons trouvé que leur conductivité est très faible, en accord avec leur structure. Ces pili étaient censés être composés uniquement de PilA-N. Étonnamment, nous avons identifié un composant supplémentaire, PilA-C, associé avec la surface du filament pour former des pili hétérodimères uniques. En outre, nous avons constaté que les pili sont nécessaires à la sécrétion des cytochromes OmcS et OmcZ, qui elles forment des nanofils nécessaires à l'EET.

L'objectif de ce projet est de décrypter les mécanismes de la sécrétion, d'assemblage et de la fonction des nanofils. Nous allons caractériser la machinerie de sécrétion de G. sulfurreducens et le rôle de cette nouvelle classe de pili bipartites, pouvant agir comme des pseudopili dans les systèmes de sécrétion de type 2. Nous identifierons les bases physiques de la sécrétion de cytochromes via les pili. En reconstituant la production de nanofils chez l’hôte hétérologue, Escherichia coli, nous identifierons tous les facteurs essentiels à leur biogenèse et développerons des outils pour caractériser les bases physiques de la fonction des nanofils. Les modèles théoriques de transfert d'électrons à travers des nanofils, générés sur la base de leur caractérisation physique et structurelle, seront validés par la mutagenèse dirigée et études in cellulo pour décrire leur fonction au niveau atomique.
Nos objectifs sont de: 1) Reconstituer la voie de sécrétion des cytochromes de G. sulfurreducens et leur assemblage en nanofils dans un système hétérologue et disséquer ses interactions protéine-protéine. 2) Élucider la dynamique du pilus et le rôle de sa stabilité mécanique dans l'assemblage et la fonction du pilus hétérodimérique 3) Déterminer le mécanisme de la sécrétion d'OmcS/Z et leur interaction avec les pili. 4) Caractériser l’architecture du nouvel système de sécrétion chez Geobacter par cryo-tomographie électronique.
Impact large:
Moduler la signalisation cellulaire à distance par l'électrogénétique aurait des applications diverses en médecine pour générer des molécules thérapeutiques à la biofabrication de matériaux. Cependant, les travaux antérieurs d'électrogénétique utilisaient des molécules diffusives, inefficaces en conditions des biofilms. Notre projet vise à générer une interface bioélectronique qui permets la stimulation des cellules filaire et sans fil (chimique, magnétique). Cette nouvelle plate-forme permettra la fabrication de biomatériaux indispensables à la prochaine génération de technologies de dispositifs fonctionnant à faible puissance avec un gain élevé et un faible bruit. Un environnement open source pilotera sa conception, synthèse et caractérisation visant la recherche reproductible. Le projet préparera la prochaine génération de scientifiques trans-disciplinaires formés à l'interface de la biologie, physique, chimie et de l'ingénierie, tout en renforçant la diversité et l'inclusion.