Mécanismes d’assemblage et de fonctionnement de l’appareillage flagellaire des bactéries magnétotactiques – MagneticFlAp

Bacterial flagella are nano-machines rotating at thousands-turns per second. Using genomic and biochemistry analyses we identify genes and proteins involved in its construction. Biophysical studies allow us to characterize sugars on the components of the flagella. Electron microscopy reveals detailed structure of this nano-machine. We analyze the swimming behavior in micro-fluidic systems under optical microscopes.

Our genomic analysis shows bacterial adaptations to marine habitats. In addition, collaboration between French and Japanese partners revealed an unprecedented complexity in protein composition and an exquisite architecture of the flagellar nano-machine of a Mediterranean bacterium. Seven flagella and 24 fibrils assemble into 7 intertwined hexagonal arrays within a sheath, which propels cells swimming at >100 body-length per second.

This research project will shed light into the operation mechanism of the flagellar nano-machine of marine magnetic bacteria. The results obtained have great potential of nano-technologic, biomedical and environmental applications.

The results obtained lead to three publications in peer-reviewed international journals in fields of molecular biology, environmental microbiology and general science (PNAS).

Les bactéries sont sensibles à des signaux environnementaux et réagissent à leurs changements en adaptant leur mobilité. L’appareil locomoteur bactérien le plus courant est le flagelle qui se compose d’un corps basal, d’un crochet et d’un filament. Le corps comprend un moteur rotatif réversible contrôlé par un gradient de protons ou d’ions sodium. Le crochet connecte le moteur au filament. Les filaments flagellaires servent de propulseurs et permettent la conversion de la rotation du moteur en poussée. Un filament flagellaire est constitué de quelques dizaines de milliers de monomères de la protéine flagelline. Ces monomères empruntent le canal central du filament flagellaire pour être assemblés à l'extrémité distale du flagelle en une structure hélicoïdale. En réponse à une variation environnementale, une modification conformationnelle des filaments permet à la bactérie d’adapter sa mobilité.
Les bactéries magnétotactiques (MTB) sont capables d’utiliser le champ géomagnétique afin de rechercher les conditions optimales à leur croissance. Les MTB représentent un groupe hétérogène de bactéries à Gram négatif. Elles synthétisent des organelles particulières appelées magnétosomes qui comprennent un cristal magnétique entouré d’une biomembrane. Ces magnétosomes forment des chaînes à l’intérieur de la cellule ce qui confère à la bactérie un moment magnétique dipolaire net lui permettant de s’aligner et de nager le long des lignes géomagnétiques. Ce comportement est nommé la magnétotaxie. Sa fonction présumée est d’améliorer le déplacement et le maintien de la bactérie dans la zone de transition oxique-anoxique (OATZ) des sédiments marins ou limniques. Le rôle du flagelle dans la magnétotaxie demeure une énigme.
Depuis la découverte des MTB en 1963, peu de cultures pures ont été obtenues, en raison des exigences de croissance de ces bactéries. Ceci a considérablement freiné la compréhension du mécanisme de magnétotaxie. Nous avons pu isoler et cultiver une souche magnéto-ovoïde (MO-1), unique culture pure de MTB méditerranéenne. Cette bactérie nage à une vitesse exceptionnelle (jusqu’à 300 µm/s), les moteurs étant alimentés par des gradients de proton et d’ion sodium. Deux faisceaux de flagelles sont présents sur le même hémisphère de la cellule et comprennent chacun sept flagelles indépendants enveloppés d’une gaine. Nos analyses génomiques ont permis l’identification de treize gènes codant pour des flagellines. Par des études biochimiques nous avons montré qu’au moins trois d’entre elles sont glycosylées ainsi que la protéine majoritaire constituant la gaine. Actuellement, la glycosylation des protéines bactériennes, découverte récemment, est très peu connue en comparaison de celle des protéines eucaryotes.
L’assemblage inédit de ce nombre de flagelles au sein de la gaine requiert un système sophistiqué de transport des flagellines vers leur destination. De plus, la sécrétion de ces protéines doit être coordonnée avec leur glycosylation.
Ce projet a pour but d’élucider les mécanismes d’assemblage et de fonctionnement de l’appareil flagellaire de MO-1 afin de mieux appréhender le phénomène de magnétotaxie. Le défi est de comprendre comment les cellules contrôlent la rotation des flagelles en réponse à un changement de torsion magnétique. Cette étude sera menée par trois partenaires avec des compétences complémentaires. Le partenaire I est un laboratoire reconnu dans le domaine des MTB. Il a mis en évidence, entre autre, l’existence des protéines glycosylées chez ces bactéries. L’expertise du partenaire II fait autorité dans le domaine de l’analyse structurale et fonctionnelle des glucides complexes. Le laboratoire japonais du Professeur Namba, partenaire III, est l’un des meilleurs laboratoires au monde en ce qui concerne l’appareil flagellaire bactérien et a établi un modèle de référence de cette structure.