Décryptage des voies de biosynthèse et du rôle biologique des n-alca(è)nes chez les algues brunes – BROWN_ALKAENES
Décryptage des voies de biosynthèse et du rôle biologique des n-alca(è)nes chez les algues brunes
Le projet Brown Alkaenes vise à identifier les enzymes responsables de la biosynthèse des hydrocarbures chez les algues brunes, un groupe d'organismes très peu étudié jusqu'à présent en termes d'études fonctionnelles.
Enjeux et objectifs
Les hydrocarbures sont des molécules hautement hydrophobes composées exclusivement d’atomes de carbone et d’hydrogène. Bien que les hydrocarbures soient principalement connus comme composants majeurs des combustibles fossiles, de nombreux organismes à travers l’arbre du vivant ont la capacité de réaliser leur biosynthèse à partir d’acides gras à l’aide de diverses enzymes. Chez les plantes et les insectes, les hydrocarbures sont généralement excrétés (par exemple, les cires et les phéromones), tandis que chez les algues, ils semblent être principalement intracellulaires et associés aux membranes. À ce jour, il a été constaté que tous les organismes étudiés ne possèdent qu’une seule voie de formation des hydrocarbures. Chez la plupart des algues vertes, les acides gras non estérifiés sont convertis en hydrocarbures par une photoenzyme spécifique aux algues, l'acide gras photodécarboxylase (FAP). D’autres algues vertes dépourvues de la FAP sont capables de synthétiser des hydrocarbures via l'enzyme ECERIFERUM 1/3 (CER1/3). Chez les algues brunes, la situation semble plus complexe et intrigante. L’hypothèse centrale du projet Brown Alkaenes repose sur l'existence chez les algues brunes d'au moins deux types d’hydrocarbures dérivés d’acides gras, avec des localisations cellulaires potentiellement différentes et des fonctions physiologiques probablement distinctes : (i) les hydrocarbures formés par la photoenzyme FAP et (ii) les hydrocarbures formés par une autre enzyme non encore identifiée. Le projet Brown Alkaenes vise donc à i) identifier les enzymes responsables de la biosynthèse des deux types d'hydrocarbures dérivés d’acides gras présents chez les algues brunes et ii) élucider le(s) rôle(s) cellulaire(s) et physiologique(s) respectif(s) de ces deux types d’hydrocarbures. En lien étroit avec l'étude des algues brunes, une autre partie du projet est également consacrée à la caractérisation fonctionnelle de la voie biosynthétique CER1/3 chez les algues vertes.
L'approche pluridisciplinaire du projet Brown Alkaenes est menée au sein de l'Institut BIAM (UMR 7265, CEA Cadarache), avec pour but d'appliquer des méthodologies et des outils moléculaires/cellulaires de pointe, initialement développés pour différents modèles biologiques, à des espèces émergentes d'algues brunes. Le projet s'appuie principalement sur des approches de génétique moléculaire, de physiologie et des analyses d'hydrocarbures et de lipides chez les espèces d'algues brunes Ectocarpus et Saccharina latissima.
Voies de biosynthèse des hydrocarbures chez les algues brunes (Cabanel et al., 2026, Plant Physiology)
- Nous avons démontré que les algues brunes Ectocarpus et Saccharina latissima produisent deux types d’hydrocarbures : un hydrocarbure 15:0 (n-pentadécane) et un hydrocarbure 21:6 Δ1 isomère (vraisemblablement le Δ1,6,9,12,15,18-hénéicosahexaène). La présence de ces deux hydrocarbures dans les protoplastes de S. latissima suggère fortement qu’ils sont intégrés dans des membranes internes.
- Nous avons démontré que l’activité de l'acide gras photodécarboxylase (FAP) est conservée au sein d’une grande diversité de taxons des Phaeophyceae, y compris Ectocarpus et S. latissima. Toutes les FAPs d’algues brunes étudiées sont capables de synthétiser des hydrocarbures à longue chaîne (principalement des hydrocarbures 15:0 et 17:1) lorsqu’elles sont exprimées dans E. coli.
- En utilisant des outils moléculaires d'édition du génome, nous avons montré que les mutants fap d’Ectocarpus présentent une incapacité totale à accumuler l’hydrocarbure 15:0, tandis que la teneur en hydrocarbure 21:6 Δ1 isomère n’est pas affectée. Par conséquent, les algues brunes possèdent deux voies biosynthétiques indépendantes pour la production d’hydrocarbures. À notre connaissance, il s’agit du premier exemple d’un groupe d’organismes possédant deux voies distinctes de formation d’hydrocarbures, qui sont susceptibles de remplir des fonctions biologiques différentes.
Voies de biosynthèse des hydrocarbures chez les algues vertes (Baca-Porcel et al., 2026, New Phytologist)
- Les protéines CER1 et CER3 des plantes terrestres sont homologues et possèdent une structure à deux domaines. Elles sont responsables de la biosynthèse des hydrocarbures, qui constituent des composants majeurs des cires cuticulaires. Nous avons démontré que les algues vertes dépourvues de la FAP synthétisent des hydrocarbures grâce à une seule protéine, l'enzyme CER1/3.
- Nos résultats viennent étayer l'hypothèse selon laquelle le complexe CER1/CER3 des plantes terrestres a évolué à partir d'une enzyme bifonctionnelle CER1/3, présente chez certaines des lignées d'algues vertes ayant divergé les plus tôt.
Les prochaines étapes du projet porteront principalement sur :
- l'identification de la ou des enzymes responsables de la biosynthèse du second hydrocarbure (hydrocarbure 21:6 Δ1 isomère)
- l'identification de la localisation subcellulaire des deux hydrocarbures
- l'identification de la localisation subcellulaire des enzymes biosynthétiques, ce qui nécessite la mise au point d'une transformation génétique stable chez les algues brunes
- l'identification des partenaires protéiques potentiels des enzymes biosynthétiques
- l'identification du rôle physiologique des deux hydrocarbures
Les alcanes et les alcènes sont des hydrocarbures acycliques synthétisés par un grand nombre d'organismes, y compris les algues des lignées verte, rouge et brune. Malgré cette distribution ubiquitaire au sein de la diversité algale, les voies de biosynthèse des alca(è)nes restent très méconnues chez les algues, de même que nos connaissances relatives à leurs fonctions cellulaires et physiologiques. En raison de leur divergence précoce dans l'arbre phylogénétique des eucaryotes, les algues brunes représentent une source exceptionnelle de voies de biosynthèse originales, pourtant très peu étudiées jusqu'à présent. Le projet Brown Alkaenes vise à décrypter les mécanismes moléculaires et cellulaires des voies de biosynthèse des alca(è)nes et leur rôle physiologique chez les macroalgues brunes marines, en particulier chez les espèces modèles émergentes Ectocarpus et Saccharina latissima. Ce projet s’appuiera sur une approche fonctionnelle faisant intervenir des méthodologies récentes et innovantes, notamment l'édition du génome, l'expression hétérologue, les interactions protéine-protéine et la microscopie confocale. Le projet fournira des connaissances approfondies et précieuses concernant la biosynthèse des alca(è)nes et leur rôle physiologique dans le développement et l'adaptation des macroalgues brunes à leur environnement, et contribuera également à une meilleure compréhension des événements évolutifs des voies de biosynthèse des alca(è)nes dans l'arbre phylogénétique des eucaryotes.
Coordination du projet
Florian Veillet (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives)
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenariat
BIAM Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
Aide de l'ANR 287 393 euros
Début et durée du projet scientifique :
septembre 2024
- 48 Mois
