Une étonnante biominéralisation du cuivre découverte dans une souche de bactéries magnétotactiques

Des scientifiques du BIAM et leurs partenaires ont identifié une biominéralisation génétiquement contrôlée inédite chez une bactérie magnétotactique. Elle se localise en périphérie de la cellule et implique un composé de cuivre. Cette découverte ouvre la voie à de nouvelles applications de bioremédiation.

Le monde du vivant compte une multitude d’organismes capables de synthétiser des structures biologiques en incorporant des minéraux présents dans leur environnement. Coquilles d’œufs ou de mollusques, carapaces de crustacés, exosquelettes de coraux, d’algues ou de phytoplanctons sont autant d’illustrations de cette biominéralisation, auxquelles s’ajoutent celles, plus fines, des bactéries « magnétotactiques », capables de se déplacer le long de lignes de champ magnétique.

« Contrairement aux coraux ou aux crustacés, ces bactéries contrôlent la biominéralisation grâce à un organite spécialisé, le magnétosome, souligne Damien Faivre, chercheur au BIAM. Cet organite situé dans le cytoplasme, au cœur de la cellule, produit des chapelets de nanoparticules d’oxyde de fer (magnétite) ou de sulfure de fer (greigite) qui permettent probablement aux bactéries de s’orienter par rapport aux lignes de champ magnétique. »

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Des chercheurs du BIAM et leurs partenaires se sont intéressés à une souche particulière (BW-1) de la bactérie magnétotactique (Desulfamplus magnetovallimortis) qui a la particularité de biominéraliser aussi le sulfure de cuivre, comme en témoigne la présence de nanoparticules de sulfure de cuivre dans l’espace séparant la membrane cytoplasmique et la membrane externe de la bactérie (périplasme).

Ils ont comparé les souches BW-1 et RS-1 de la bactérie en présence d’ions de zinc, nickel ou cobalt. Résultat : BW-1 produit des biominéralisations, à la différence de RS-1 qui n’en présente aucune.

Ces observations suggèrent que les biominéralisations de sulfure de cuivre observées chez BW-1 ne sont pas un simple processus biologiquement induit, mais plutôt un processus biologiquement contrôlé.

Les chercheurs ont également mis en évidence la présence de protéines qu’ils pensent être impliquées dans la formation des nanoparticules de sulfure de cuivre.

Il leur reste à comprendre la formation et le fonctionnement de l’organite producteur de nanocristallites de sulfure de cuivre. À terme, cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour la dépollution, notamment la récolte de substances présentes sous forme de traces, aujourd’hui impossibles à prélever.

Figure 1 : Certaines bactéries ont la capacité de former des nanoparticules inorganiques dans un processus appelé biominéralisation. Nous montrons ici une bactérie magnétotactique qui peut précipiter un type inconnu de nanoparticules intracellulaires à base de cuivre dans le périplasme. Le biominéral  présente des sous-structures nanométriques particulières, et une enveloppe organique potentielle entourant les particules. Notre analyse des protéines indique un nouveau type de mécanisme de biominéralisation impliqué dans la détoxification du cuivre.

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Figure 2 :

Image au microscope électronique à transmission d’une section fine d’une cellule BW-1.

Les particules de sulfure de cuivre qui apparaissent en sombres après un processus de coloration positive, sont situées uniquement dans l’espace périplasmique. Quelques-unes d’entre elles semblent être attachées les unes aux autres. Les particules élargissent l’espace périplasmique, une fois que leur diamètre devient plus grand que la largeur de l’espace périplasmique.

Figure 2
Analyse morphologique et chimique des nanoparticules de sulfure de cuivre produites par BW-1. Damien Faivre MEM
Figure 3 : Analyse morphologique et chimique des nanoparticules de sulfure de cuivre produites par BW-1. (A) Une cellule BW-1 remplie de nanoparticules intracellulaires, montrant des caractéristiques distinctes des précipités extracellulaires, comme imagé par TEM. (B) Image STEM HAADF montrant une seule nanoparticule de sulfure de cuivre dans une cellule BW-1 et cartes d'éléments STEM EDS de Fe, S, et Cu, respectivement. (C) Distribution de la taille des particules (10 bactéries). (D) Image HRTEM de particules de sulfure de cuivre composées de sous-structures de 1-2 nm. de sous-structures de taille 1-2 nm. (E) Transformée de Fourier de la zone encadrée dans l'encart, montrant deux anneaux faibles et quelques points diffus.

Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec le Weizmann Institute of Science (Israël), l’Université de Pannonie (Hongrie) et le centre CEA de Marcoule.

Periplasmic Bacterial Biomineralization of Copper Sulfide Nanoparticles

RÉFÉRENCES

Auteurs : Yeseul Park1, Zohar Eyal, Péter Pekker, Daniel M. Chevrier, Christopher T. Lefèvre, Pascal Arnoux, Jean Armengaud, Caroline L. Monteil, Assaf Gal , Mihály Pósfai, Damien Faivre

https://doi.org/10.1002/advs.202203444

Contact : Damien Faivre (BIAM)

 

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