Élucidation des rôles des polysaccharides sécrétés dans la multicellularité bactérienne

Saïdi, Fares (2023). Élucidation des rôles des polysaccharides sécrétés dans la multicellularité bactérienne Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en biologie, 336 p.

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Résumé

L’avènement de la multicellularité, une forme d’organisation largement répandue chez les eucaryotes, a permis un niveau de complexité qui a facilité la colonisation d’environnement très divers par le vivant nous laissant penser de nos jours, que très peu de conditions extrêmes seraient un frein au développement de la vie. Jusqu’à récemment et encore dans l’esprit de beaucoup de scientifiques, l’organisation multicellulaire du vivant est étrangère au monde procaryote. Cependant, nous observons de plus en plus cette forme d’organisation chez les procaryotes qui permet l’adaptation à des conditions plus difficiles de vie et souvent comme forme de défense à une condition de stress rencontrée dans ces environnements difficiles, voire hostiles à la vie.

Afin d’étudier la multicellularité, nous utilisons au sein du laboratoire Islam, la bactérie modèle Myxococcus xanthus, bactérie Gram-négatif appartenant à la classe des δ-proteobactéries. Dans des conditions favorables, M. xanthus suit un cycle de vie dit végétatif où une cellule initiale se divise et donne deux cellules. En condition défavorable, M. xanthus a la capacité de suivre un cycle de vie complexe, amenant à la différenciation de la population de cellules végétatives en trois populations différentes formant une structure complexe, le corps fructifère. Cette structure complexe permet la survie à des conditions difficiles, via une des trois populations composant ces structures : (i) les spores (ii) les cellules en bas du corps fructifère nommé bâtonnets périphériques, et (iii) les cellules glaneuses au bord de la population. Tout ceci est un exemple clair de multicellularité chez les procaryotes.

L’avènement d’une telle complexité dépend des polysaccharides, élément important pour divers mécanismes permettant la bonne organisation cellulaire. Les polysaccharides sont produits par trois types de voies différentes : les systèmes Transporteurs ABC-dépendant, les systèmes Wzx/Wzy-dépendant, et les systèmes synthases-dépendantes. M. xanthus est connu comme possédant une machinerie Transporteur ABC dépendant produit l’antigène O de lipopolysaccharide et deux machineries Wzx/Wzy-dépendant produisant l’une le polysaccharide du manteau de la spore et l’autre l’exopolysaccharide. Aucune machinerie de synthase n’a été trouvée.

Par une approche bio-informatique, j’ai identifié les protéines manquantes des machineries wzx/wzy produisant le manteau du spore et l’exopolysaccharide. J’ai découvert une troisième voie Wzx/Wzy-dépendant produisant un nouveau polysaccharide. J’ai caractérisé et identifié son rôle sur la multicellularité ainsi que dans l’état du glycocalyx. J’ai déterminé la structure de ce polysaccharide nommée biosurfactant polysaccharide formant une répétition tetrapolysaccharides acétylés aléatoirement avec des propriétés biosurfactant. L’exopolysaccharide et le biosurfactant polysaccharide sont spatialement régulé au sein d’une colonie.

J’ai étudié la structure de la protéine Wza chez M. xanthus qui m’as permis d’observer l’absence d’un domaine crucial dans la sécrétion du polysaccharide chez les bactéries. J’ai observé aussi la présence d’un tonneau bêta à côté de chaque protéine Wza produisant l’exopolysaccharide, le manteau du spore et le nouveau polysaccharide via une étude bioinformatique. Ce tonneau bêta permet la sécrétion du polysaccharide à travers la membrane externe.

Mes recherches ont révélé l’impact du glycocalyx sur la motilité des cellules individuelle, la capacite d'agrégation des cellules via les connections dépendant de l’exopolysaccharide et la stabilité et la formation du pilus de type IV au pôle.

J’ai continué mes études sur le glycocalyx en étudiant la relation entre l’état du glycocalyx et sa capacité à former un bouclier autour de la cellule. Via l’étude de la tolérance a divers antibiotiques et molécules engendrant un stress oxydatif, j’ai montré ici l’importance de l’état du glycocalyx dans la tolérance aux molécules nocives.

Et enfin, j’ai isolé le lypopolysaccharide chez M. xanthus DZ2 et obtenue la structure et la composition de celui-ci. J’ai développé une méthode de marquage reposant sur l’utilisation d’un Kdo synthétique marquer, qui a pu être incorporer par la cellule au niveau du lypolysaccharide afin de marquer la surface cellulaire.

En conclusion, mes travaux ont permis de mieux appréhender la complexité de la multicellularité bactérienne et le rôle important des polysaccharides dans cette organisation. De plus, le nouveau modèle pour la machinerie Wzx/Wzy révolutionne notre compréhension de la production des polysaccharides bactériens.

The advent of multicellularity, a type of organization that is widespread among eukaryotes, has allowed a level of complexity that permits the colonization of very diverse environments by living organisms. Until recently and still in the minds of many scientists, the multicellular organization of life has remained a concept not typically associated with the prokaryotic world. However, this form of organization in prokaryotes is becoming more widely acknowledged as it allows adaptation to more difficult conditions of life and often as a form of defense against stress conditions encountered in environments that would normally be hostile to life.

To study multicellularity, in our laboratory we use the model bacterium Myxococcus xanthus, a Gram-negative δ-proteobacterium. Under favorable nutrient conditions, M. xanthus follows a vegetative life cycle where an initial cell divides and produces two progenitor cells. In unfavorable conditions, M. xanthus follows a complex developmental cycle, leading to the differentiation of the vegetative cell population into three different subpopulations forming a complex structure, the fruiting body. This complex structure promotes survival in difficult conditions, via one of the three populations composing these structures: (i) spores, (ii) peripheral rods at the base of the fruiting body, and (iii) forager cells that continue outward motility in search of nutrients. Such differentiated cell function from a common population is a clear example of multicellularity in prokaryotes.

The advent of such complexity depends on polysaccharides, an important element for various mechanisms allowing the proper cellular organization. Polysaccharides are produced by three different pathway schemes: ABC-transporter-dependent, Wzx/Wzy-dependent, and synthase-dependent.

M. xanthus is known to possess one ABC-transporter-dependent pathways producing lipopolysaccharide O antigen and two Wzx/Wzy-dependent pathways, with one producing spore coat polysaccharide and the other producing exopolysaccharide. No synthase machinery has been found thus far.

Using a bioinformatics approach, I identified the absent proteins within the Wzx/Wzy machineries responsible for spore coat and exopolysaccharide production. I identify a third Wzx/Wzy-dependent pathway producing a novel polysaccharide. I characterized its role in multicellularity and the glycocalyx state. I elucidated the structure of this polysaccharide, named biosurfactant polysaccharide, forming a randomly acetylated tetrapolysaccharide repeat with biosurfactant properties. Both exopolysaccharide and biosurfactant polysaccharide are spatially regulated within a colony.

I worked on the structure of the Wza protein in M. xanthus, allowing me to observe the lack of a crucial domain in bacterial polysaccharide secretion. Furthermore, I noted the presence of a beta-barrel next to each Wza protein responsible for exopolysaccharide, spore coat, and the new polysaccharide production through a bioinformatics study. This beta barrel facilitates the secretion of polysaccharide across the outer membrane.

My research show the glycocalyx's influence on individual cell motility, the capacity for cell aggregation through exopolysaccharide-mediated connections, and the stability and formation of the type IV pilus at the pole. I continued my studies on the glycocalyx by investigating the relationship between the state of the glycocalyx and its ability to form a shield around the cell. By studying tolerance to various antibiotics and oxidative stress-causing molecules, I demonstrated the importance of glycocalyx state in tolerance to harmful molecules.

Finally, I isolated the lypopolysaccharide from M. xanthus DZ2 and obtained its structure and composition. I developed a labeling method based on the use of a synthetic Kdo label, which could be incorporated by the cell into the lypopolysaccharide to label the cell surface.

In conclusion, my work has enabled us to better understand the complexity of bacterial multicellularity and the important role of polysaccharides in this organization. Furthermore, the new model for the Wzx/Wzy machinery revolutionizes our understanding of bacterial polysaccharide production.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Islam, Salim Timo
Mots-clés libres:	Myxococcus xanthus; polysaccharide bactérien; machinerie Wzx/Wzy-dépendante; multicellularité; unicellulaire;
Centre:	Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt:	09 juill. 2024 15:34
Dernière modification:	09 juill. 2024 15:34
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/15811

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