CE31 - Physique Subatomique, Sciences de l'Univers, Structure et Histoire de la Terre

SIGNATURE DES MAGNETITES PRODUITES PAR LES BACTERIES MAGNETOTACTIQUES : PERSPECTIVES CHIMIQUES ET ISOTOPIQUES – SIGMAG

SIGMAG - Signature des magnétites produites par les bactéries magnétotactiques : perspectives chimiques et isotopiques

SIGMAG vise à déterminer les compositions en éléments traces et isotopes du fer de magnétites de bactéries magnétotactiques produites en laboratoire et prélevées dans des environnements naturels. Ces signatures chimiques et isotopiques permettront de mieux comprendre les processus de biominéralisation chez ces bactéries et d'identifier les biomagnétites fossiles dans des roches anciennes.

Enjeux et objectifs du projet SIGMAG

Les bactéries magnétotactiques (MTB) contrôlent la synthèse de nanocristaux de magnétite [Fe3O4] ou de greigite [Fe3S4] intracellulaires. Bien que les MTB puissent figurer parmi les plus anciennes formes de vie sur Terre, l’identification de biominéralisations fossiles dans l’enregistrement géologique reste très délicate. Dans ce projet, nous développons de nouveaux traceurs chimiques (éléments traces) et isotopiques (Fe) afin de pouvoir distinguer les magnétites d’origine biologique de celles produites par voie abiotique. <br />Deux tâches principales sont menées en parallèle : (1) des expériences de laboratoire pour explorer les signatures caractéristiques des magnétites de MTB dans différentes conditions de culture, (2) l’analyse de MTB actuelles dans leur environnement afin de déterminer si les conclusions déduites des expériences de laboratoire sont applicables aux systèmes naturels. Ce projet, par essence pluridisciplinaire, permet de poser les bases fondamentales pour la recherche de traces de MTB dans l’enregistrement sédimentaire et donc de traces de vie anciennes.

Les deux tâches principales de l’ANR SIGMAG ont été démarrées et sont dans un bon état d’avancement.

Tout d’abord, des cultures de la bactérie Magnetovibrio blakemorei, souche MV1, ont été réalisées sous différentes conditions pour explorer l’effet des conditions redox et des concentrations en fer des milieux de culture. Deux sources de fer ont été testées (ascorbate de Fe(II) et citrate de Fe(III)) pour une large gamme de concentrations allant de 30 à 150 micromol/L de Fe. Pour chaque condition, des triplicatas ont été réalisés et le milieu de croissance avant et après culture, les magnétites (avec et sans leur membrane organique) et les lysats bactériens (après extraction des magnétites) ont été séparés et collectés. Les échantillons expérimentaux étant prêts, nous sommes maintenant au stade de la mesure des concentrations en éléments traces et des compositions isotopiques en Fe.

Le second axe de recherche de l’ANR SIGMAG concerne l’étude des MTB du Lac Pavin, un lac situé dans le Massif Central et possédant un compartiment profond anoxique et ferrugineux. Trois missions ont été réalisées au lac Pavin en 2019. Elles ont permis de tester différents types de piégeage magnétique pour concentrer les MTB de la colonne d’eau (présentes à l’interface redox dans la colonne d’eau). L’une des missions a duré 2 semaines et a permis de déterminer des traceurs indirects et instantanés de la présence de MTB dans les eaux échantillonnées ainsi que d’optimiser la technique de prélèvement et de concentration des MTB. Nous avons pu compter les MTB au microscope optique sur le terrain et réaliser plusieurs profils verticaux de MTB dans la colonne d’eau du lac Pavin.

Les résultats préliminaires des cultures de la bactéries MV-1 montrent un enrichissement en certains éléments traces (e.g. molybdène, étain) dans les magnétites par rapport à des magnétites précipitées de façon abiotique. Les compositions isotopiques du fer montrent des variations jusqu’à 1‰, alors qu’une étude précédente proposait l’absence de fractionnement isotopique sur le fer (Mandernack et al., Science 1999). Des caractérisations minéralogiques par microscopie électronique en transmission ont été commencées sur ces échantillons expérimentaux. Nous étudions maintenant de manière systématique les distributions de forme et de taille des cristaux de nanomagnétite pour les différentes conditions de culture. Toutes nos mesures minéralogiques et géochimiques permettront de comprendre les mécanismes de biominéralisation de la magnétite chez MV-1 et de déterminer des critères qui pourraient être utilisés comme biosignatures dans des magnétites pour identifier la présence de MTB dans le registre fossile.


Les différentes missions au lac Pavin nous ont permis d’identifier une forte variabilité saisonnière de la distribution des MTB dans la colonne d’eau, ainsi qu’une hétérogénéité verticale des MTB selon les espèces au cours d’une même saison. Un article est en préparation sur ce sujet. Des prélèvements ont été réalisés afin de mener une caractérisation physiologique et phylogénétique. En parallèle, des échantillons ont été prélevés pour analyser les compositions chimiques et isotopiques en fer des MTB présentes dans la colonne d’eau du lac Pavin. Enfin, des tests préliminaires ont permis de prélever des MTB du sédiment du lac. La diversité des MTB dans les sédiments du lac Pavin s’avère être très importante. De même, l’adaptation de nouveaux protocoles pour leur concentration magnétique et observation a permis d’identifier des sédiments autour du lac avec une abondance cellulaire > 100 000 MTB/mL.

En conclusion, les échantillons de culture ont été produits et sont en cours d’analyse (minéralogie, isotopes du fer et éléments traces). Des échantillons préliminaires du lac Pavin ont pu être prélevés et sont également en cours d’analyse (phylogénie, biodiversité, minéralogie, isotopes du fer, éléments traces). Des résultats intermédiaires font l’objet de trois manuscrits qui devraient être publiés courant 2020.

1. Mathon F., Lefèvre C.T., Guyot F., Amor M., Busigny V. (2019) Iron isotope fractionation by magnetotactic bacteria. Goldschmidt Conference, Barcelona, Spain.
2. Monteil C.L., Lefevre C.T. (2019) Magnetoreception in microorganisms. Trends Microbiol. pii: S0966 doi: 10.1016/j.tim.2019.10.012
3. Monteil C.L., Grouzdev D.S., Perrière G., Alonso B., Rouy Z., Cruveiller S., Ginet N., Pignol D., Lefevre C.T. (2020) Repeated horizontal gene transfers triggered parallel evolution of magnetotaxis in two evolutionary divergent lineages of magnetotactic bacteria. ISME J. Accepté avec revisions mineurs

Les bactéries magnétotactiques (MTB) produisent des cristaux de magnétites intracellulaires. Bien que ces magnétites puissent figurer parmi les plus anciennes traces de biominéralisation sur Terre, leur identification dans l’enregistrement géologique reste très délicate. Dans ce projet, nous proposons de développer de nouveaux traceurs chimiques (éléments traces) et isotopiques (Fe) pour l’identification des MTB. Deux tâches principales seront menées : (1) des expériences de laboratoire pour explorer les signatures caractéristiques des MTB dans différentes conditions de culture, (2) l’analyse de MTB actuelles dans leur environnement afin de déterminer si les conclusions déduites des expériences de laboratoires sont applicables aux systèmes naturels. Ce projet, par essence, pluridisciplinaire permettra de poser les bases fondamentales pour la recherche future de MTB dans l’enregistrement sédimentaire.

Coordinateur du projet

Monsieur Vincent BUSIGNY (Institut de physique du globe de Paris)

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.

Partenaire

BVME Biologie végétale et microbiologie environnementales
IMPMC Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie
IPGP Institut de physique du globe de Paris

Aide de l'ANR 258 120 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2018 - 48 Mois

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