Limites moléculaires de la vie en conditions extraterrestres : biosystèmes extrêmophiles sous haute pression et haute salinité

Molecular limits of life in extraterrestrial conditions : extremophilic biosystems under high pressure and high salinity

• Auteur / Autrice : Lorenzo Carré
• Direction : Bruno Franzetti, Eric Girard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie structurale et nanobiologie
• Date : Soutenance le 21/01/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Groupe extremophiles et grands assemblages moleculaires
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie structurale (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Mohamed Jebbar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Franzetti, Eric Girard, Adrienne Kish, Christian Tamburini, Joël Gaffé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Purificación López-García, Ludovic Sauguet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Archéobactéries

Protéome

Halobactéries

ARN polymérase ADN dépendante

Exobiologie

Mots clés libres

Exobiologie

ADN polymérase

Halophile

Hautes pressions

Protéome

Archaea

Astrobiology

DNA polymerase

Halophile

High pressure

Proteome

Archaea

Résumé

Au carrefour des disciplines, l’exobiologie a pour objet la vie dans l’Univers. Parmi ses thématiques, la question des limites du vivant se pose avec celle de l’habitabilité des environnements extraterrestres. Proches de ces limites, les extrêmophiles terrestres peuplant les environnements extrêmes telles les cheminées hydrothermales ou la Mer Morte, indiquent que la présence d’eau liquide reste une condition nécessaire à la vie. Sa recherche dans le Système Solaire et au-delà demeure donc une priorité en exobiologie, justifiant l’intérêt porté aux océans subglaciaires des lunes glacées ainsi qu’aux saumures Martiennes.Les océans subglaciaires renferment, de loin, la majeure partie de l’eau liquide dans le Système Solaire et certaines, comme Encelade, pourraient présenter des cheminées hydrothermales dans leurs abysses. Sur Terre, les cheminées hydrothermales sont des biotopes indépendants de la surface, complexes et productifs malgré les conditions de pression et de température extrêmes qui les caractérisent. Ils constituent donc des modèles de premier ordre pour une hypothétique vie sur les lunes glacées. Des différences potentielles de conditions physico-chimiques viennent cependant limiter cette analogie. En particulier, la pression dans les abysses d’Europe pourrait excéder celle rencontrée au niveau des cheminées hydrothermales terrestres. La vie est-elle compatible avec de telles conditions ?Dans un premier projet, nous avons étudié les effets des hautes pressions (HP) à une échelle moléculaire en utilisant comme principal modèle l’ADN polymérase (ADNpol) B de l’archée hyperthermophile abyssale Pyrococcus abyssi. En utilisant des rapporteurs fluorescents de diverses natures et un fluorimètre couplé à une enceinte HP, nous avons étudié les effets des pressions allant de 0,1 à 100MPa sur l’activité de cette enzyme et comparé sa sensibilité aux HP à celles d’autres ADNpols thermostables. Nous démontrons que les HP inhibent directement l’activité des ADNpols et que cette inhibition peut être largement compensée par une augmentation de la température. Les implications exobiologiques et concernant l’adaptation aux HP chez les organismes abyssaux sont par ailleurs discutées.Plus proche de la Terre, un autre type d’environnement pourrait abriter de l’eau liquide dans le Système Solaire : les saumures Martiennes. Présentes de manière transitoire à la surface et de façon plus pérenne dans les environnements souterrains, ces saumures se caractérisent par une salinité importante et l’abondance de composés chaotropes comme les ions Mg2+, Ca2+ et ClO42-. Sur Terre, les environnements hypersalins comme la Mer Morte ou les bassins de saumures abyssaux sont peuplés par des microorganismes spécialisés appelés halophiles. Les plus extrêmes d’entre eux sont des archées de la classe Halobacteria qui présentent des traits caractéristiques, comme l’accumulation intracellulaire de KCl et l’acidification des protéines, et constituent des modèles de choix en exobiologie.Dans un deuxième projet, nous avons comparé les propriétés du protéome entier, et non de protéines modèles isolées, entre cinq archées hyperhalophiles issues d’environnements différents. Cette comparaison a été réalisée en utilisant diverses méthodes, analyse statistique des séquences, protéomique, dosage des ions intracellulaires ou encore diffusion des neutrons, et a notamment permis le développement d’une méthode biophysique de caractérisation de la dépendance au sel du protéome. Nous avons révélé des différences significatives de propriétés intrinsèques du protéome et de l’environnement intracellulaire entre les cinq souches qui soulignent le lien entre l’adaptation à l’environnement et l’adaptation moléculaire chez les halophiles. La réponse du protéome à des sels caractéristiques des saumures Martiennes présente également des implications exobiologiques concernant la recherche de traces de vie sur Mars.

Astrobiology is an interdisciplinary field studying life in the Universe. Among its subjects, it questions the limits of life and the habitability of extraterrestrial environments. Close to these limits, terrestrial extremophiles thriving in extreme environments such as hydrothermal vents and the Dead Sea indicate that liquid water remains a sine qua non condition for life. Hence, its research within the Solar System and beyond is of particular astrobiological importance, rising interest in the subglacial oceans of icy moons as well as Martian brines.Subglacial oceans contain, by far, most of the liquid water in the Solar System and several such as Enceladus could also have abyssal hydrothermal vents. On Earth, hydrothermal vents are autonomous, complex and productive biotopes in spite of their characteristic extreme pressure and temperature conditions. Hence, they represent essential model of putative life on the icy moons. However, such analogy is limited by differences of physical and chemical conditions. In particular, pressure in the abysses of Europa could exceed those encountered in the terrestrial abyssal hydrothermal vents. Is life compatible with such conditions?With a first project, we studied effects of high pressure (HP) at a molecular scale using the B DNA polymerase (DNApol) of hyperthermophilic abyssal archaeon Pyrococcus abyssi as a main model. By using various fluorescent probes and a fluorimeter coupled with a HP-cell, we monitored effects of pressure ranging from 0.1 to 100MPa on the activity of this enzyme and we compared its sensitivity to HP to other thermostable DNApols. We demonstrate that HP directly inhibits activity of DNApols and that this inhibition can be largely compensated by an increase of temperature. The implications for astrobiology and pressure-adaptation of deep-sea organisms are discussedAnother environment of the Solar System closer to the Earth could have liquid water: Martian brines. Whether transitory on the surface or more perennial in the subsurface, these brines are characterized by high salinity and abundancy of chaotropic ions such as Mg2+, Ca2+ and ClO42-. On Earth, hypersaline environments such as the Dead Sea or abyssal brine basins are inhabited by specialized halophilic microorganisms. The most extreme halophiles are archaea from the Halobacteria class displaying specific traits, such as intracellular accumulation of KCl and protein acidification, and represent essential astrobiological models.In this second project, we compared properties of the whole proteomes, rather than model isolated proteins, between five strains of hyperhalophilic archaea isolated from various environments. This comparison was made using various methods, such as statistical analysis of protein sequences, quantification of intracellular ions or neutron scattering, and allowed the development of a method for characterizing salt-dependency of proteome. We revealed significative differences in intrinsic properties of proteomes and intracellular environment related to the link between environmental and molecular adaptations in halophiles. Proteome response to salts that are abundant in Martian brines also presented astrobiological implications for the search of biomarkers on Mars.