Premières observations in situ de mécanismes de biominéralisation des métaux à l’échelle de la cellule bactérienne | INSTITUT DE PHYSIQUE DU GLOBE DE PARIS

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  Premières observations in situ de mécanismes de biominéralisation des métaux à l’échelle de la cellule bactérienne

Des scientifiques de l’Institut de physique du globe de Paris et du laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques (Université de Paris, CNRS), en collaboration avec des équipes du Muséum national d'Histoire naturelle et de l’Institut Pasteur, ont pour la première fois, réussi à caractériser, en milieu liquide et à l’échelle nanométrique, l’influence des cellules bactériennes et des polymères organiques qu’elles sécrètent sur la formation d’un minéral. La nucléation et la croissance du minéral dépendent étroitement de la nature et de la distribution des groupes fonctionnels au sein de ces structures qui conditionnent in fine la morphologie, la taille et la localisation du minéral formé.

 

Nucléation et croissance de précipités de manganèse sur l’enveloppe cellulaire de la bactérie et dans le milieu extracellulaire. (IPGP/MPQ)

La biominéralisation est un processus de synthèse de minéraux par le vivant, notamment par les bactéries qui interagissent avec les métaux de leur environnement et peuvent ainsi les immobiliser sous forme de minéraux solides. Ce phénomène, très répandu, joue un rôle important dans le cycle des métaux dans l’environnement, mais son mode opératoire n’avait jusque-là jamais pu être observé « en direct ».

 

Dans l’environnement, les microorganismes s’organisent majoritairement sous forme de biofilms qui sont des assemblages hydratés de cellules microbiennes et de polymères organiques secrétés par ces cellules. Ce mode d’organisation permet, entre autres, aux microorganismes de coloniser la surface des minéraux. Ces biofilms sont aussi soupçonnés de jouer un rôle majeur dans les phénomènes de biominéralisation. Mais les mécanismes régissant le comportement des métaux au sein des biofilms restent méconnus à ce jour car, pour être représentatifs des processus environnementaux, ceux-ci doivent être étudiés en conditions hydratées et à l’échelle de la cellule microbienne, c’est-à-dire submicrométrique, ce qui représentait jusqu’alors un frein technologique majeur.

 

En tirant parti des avancées récentes en microscopie électronique en transmission en cellule liquide, des scientifiques de l’Institut de physique du globe de Paris et du laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques (Université de Paris, CNRS), en collaboration avec des équipes du Muséum national d'Histoire naturelle et de l’Institut Pasteur ont réussi pour la première fois à caractériser, en conditions hydratées et à l’échelle nanométrique, l’influence de la nature et de la structure des cellules bactériennes et des polymères organiques qu’elles sécrètent sur la formation d’un minéral. L’équipe a utilisé deux souches mutantes d’Escherichia coli, produisant des polymères de nature différente, et a induit la précipitation du manganèse à l’aide du faisceau électronique du microscope. En localisant ensuite précisément les minéraux formés, ils montrent que l’initiation (ou nucléation) et la croissance des précipités de manganèse dépendent étroitement de la nature et de la distribution des groupes fonctionnels au sein de ces structures. Les polymères organiques servent ainsi de supports qui conditionnent la morphologie, la taille et la localisation du minéral formé.

 

De telles approches in situ à l’échelle nanométrique ouvrent des voies nouvelles pour l’étude de ces processus environnementaux majeurs régulant le cycle des métaux dans la zone critique. Cette enveloppe superficielle de notre Terre, en constante évolution, est le siège d’interactions complexes entre roche, sol, eau, air et organismes vivants qui régulent l'habitat naturel et déterminent la disponibilité des ressources nécessaires à la vie, y compris notre production alimentaire et la qualité de nos eaux.

 

 

Clichés de microscopie électronique en transmission en milieu liquide de souches mutantes d’E. coli sécrétant différents types de polymères organiques. À gauche, la souche formant des pili protéiques induit la formation d’une croûte de manganèse répartie de manière homogène sur son enveloppe cellulaire. A droite, dans le cas de la souche produisant de la cellulose sur sa surface mais également dans le milieu extracellulaire, les précipités de manganèse forment des nanosphères plus localisées. Cette variabilité dans la distribution, la taille et la morphologie des minéraux de manganèse produits est liée à la nature et à la densité des groupes fonctionnels chargés qui varient selon les exopolymères produits par les bactéries (crédits : IPGP/MPQ).

 

Source :

> T. Couasnon, D. Alloyeau, B. Ménez, F. Guyot, J.-M. Ghigo, A. Gélabert, In situ monitoring of exopolymer-dependent Mn mineralization on bacterial surfaces. Sci. Adv. 6, eaaz3125 (2020).

 

Contact : 

Thaïs Couasnon, équipe de géomicrobiologie de l'IPGP

Date de publication : 
03 Juillet 2020