CEA Direction des sciences du vivant - iRTSV : Équipe 02 Lipidomique membranaire

Équipe 02 Lipidomique membranaire

Biogenèse, dynamique et homéostasie des lipides membranaires

Responsable

Éric Maréchal
DR2, CNRS
CEA Grenoble
iRTSV/LPCV
17 rue des Martyrs
38 054 Grenoble cedex 09
Tel. : 04 38 78 49 85
Fax : 04 38 78 50 91

Offre de stage post-doctoral

Génie Génétique de Microalgues/Microorganismes
Le poste est basé au CEA Grenoble, sous la responsabilité directe du responsable de l’équipe Lipidomique Membranaire de l'iRTSV au CEA Grenoble (E. Maréchal) ainsi que de notre directeur scientifique (K. Romari) et de Fermentalg. Vous serez en charge de la mise en place et du suivi de projets de modification génétique de microalgues.
Informations complémentaires.

Collaborateurs

Catherine Albrieux, IE1 CNRS
Olivier Bastien, CR1 INRA
Juliette Jouhet, CR2 CNRS
Maryse Block, DR2 CNRS
Denis Falconet, CR1 CNRS
Laurence Boudière, Thèse
Céline Cataye, AI ANR
Emeline Sautron, M2
Souad Amiar, M2
Mélissa Conte, AI CEA

Précédents collaborateurs

Cyrille Botté, Marie-Curie Post-doc
Yoshiki Yamaryo-Botté, Tokyo Institute of Technology Post-doc CR2 CNRS

Thématique de recherche : Homéostasie cellulaire des glycérolipides chez les eukaryotes dotés de plastes: algues, protistes et plantes

Les glycérolipides sont une classe particulière de lipides, constitués d'un squelette glycérol sur lequel sont estérifiés de 1 à 3 acides gras (Figure 1). Les glycérolipides contenant trois acides gras sont appelés triacylglycérols, ou huiles, et s'accumulent sous forme de gouttelettes dans les cellules. Les glycérolipides contenant deux acides gras peuvent avoir une tête polaire, et servent à la construction des bicouches, formant la matrice des membranes biologiques. Une dizaine de classes de glycérolipides servent ainsi à construire toutes les membranes chez les eucaryotes. Parmi ces lipides :

les phospholipides sont les lipides majeurs des membranes cellulaires animales ou des levures ;
les plantes sont caractérisées par la présence d'une classe unique de lipides membranaires non-phosphatés, les galactolipides, synthétisés dans les membranes limitant les chloroplastes (l'enveloppe plastidiale). De par leur teneur élevée dans les membranes photosynthétiques, les galactolipides forment la classe lipidique la plus abondante de la biosphère.
Deux intermédiaires, aux carrefours de plusieurs voies métaboliques des glycérolipides, l'acide phosphatidique et le diacylglycérol jouent un rôle important de régulation.
Les triacylglycérols sont synthétisés par addition d'un troisième acide gras sur un diacylglycérol. Les triacylglycérols constituent la base des biocarburants dits de 3^ème génération (ou Biocarburants 3G).

Figure 1 : Les glycérolipides, constituants des membranes biologiques et des huiles.

Dans une cellule eucaryote, chacun des compartiments membranaires (membrane plasmique, membranes du réticulum, du Golgi, de la vacuole, des mitochondries, des plastes, etc) présente une composition lipidique qui lui est spécifique, régulée suivant les conditions physiologiques et environnementales. Ainsi, sur une plante qui pousse en milieu pauvre en phosphate, on observe un appauvrissement de certaines membranes en phospholipides, qui est contrebalancé par leur enrichissement en galactolipides. L'ensemble représente à l'échelle cellulaire une économie vitale en phosphate. Un transfert de galactolipides se produit des membranes des chloroplastes vers d'autres membranes habituellement dépourvues de galactolipides telles que les membranes mitochondriales. Les processus de couplage entre voies de synthèses de phospholipides (dans le réticulum endoplasmique) et de galactolipides (dans l'enveloppe des chloroplastes), les mécanismes régulateurs et les machineries de transferts de lipides sont méconnus.

L'équipe pose les questions suivantes :

Comment sont synthétisés les glycérolipides dans la cellule chlorophyllienne et comment participent-ils à la construction des membranes ?

Les principales enzymes de synthèse lipidique sont connues chez les plantes (Arabidopsis). Les connaissances sont plus parcellaires chez les algues (Chlamydomonas) et chez les protistes (Chromera, Pheodactylum, etc) surtout lorsque ceux-ci possèdent des plastes limités non par deux mais par quatre membranes. Nous cherchons à identifier les enzymes qui manquent, les systèmes de transports inter-membranaires de lipides à ce jour inconnus et les constituants régulateurs. Nous combinons les données biologiques en vue d'une modélisation (de la biologie expérimentale à la biologie des systèmes).
Nos efforts ont porté plus particulièrement sur la synthèse de galactolipides. Les glycérolipides des membranes des chloroplastes, i.e. les galactolipides MGDG et DGDG, le sulfolipide et le phosphatidylglycérol, sont formés dans l'enveloppe plastidiale. Nous cherchons à comprendre comment les galactolipides aident à la construction des thylakoides, le système membranaire le plus étendu de la biosphère, organisé sous forme de sacs aplatis à l'intérieur des chloroplastes, et siège des photosystèmes qui capturent l'énergie lumineuse. Nous envisageons ces questions à l'aide de méthodes biophysiques, en particulier de réflexion/diffraction neutronique.

Comment la biogenèse des glycérolipides est-elle coordonnée à l'échelle de toute la cellule ?

Nous étudions la coordination des voies de synthèse au sein du plaste et à l'échelle de la cellule. Les facteurs de couplages que nous avons commencé à identifier et caractériser sont des lipides de signalisation qui peuvent être émis dans une membrane et agir dans un autre compartiment membranaire. Nous examinons en particulier le rôle de l'acide phosphatidique dans la régulation de la synthèse des galactolipides.

Figure 2A. La synthèse des phospholipides et des huiles (triacylglycérols) a lieu dans le réticulum.

Figure 2B. La synthèse des galactolipides se localise dans l'enveloppe qui limite les plastes. Un dialogue entre le chloroplaste et le système endomembranaire permet de coordonner les voies de synthèses lipidiques dans les différentes membranes. Ce dialogue nécessite des machineries de transferts de lipides (flèches pointillées). Les intermédiaires diacylglycérol (DAG) et acide phosphatidique (PA) sont à l'intersection de l'ensemble des voies.

Comment ce système répond-il lorsque lorsque l'organisme doit s'adapter à différentes conditions environnementales ?

Nous considérons les voies de synthèses et de trafic de lipides dans la cellule comme un "système", et nous mettons en évidence des processus importants pour la réponse physiologique
1) chez des mutants (génétique),
2) dans des conditions qui favorisent la synthèse des galactolipides, comme la carence de phosphate (physioécologie) ou
3) à l'aide de petites molécules que nous avons développées et qui bloquent la synthèse de galactolipides (génétique chimique).
Nous exploitons en particulier une nouvelle classe d'inhibiteur obtenue par criblage à haut débit et optimisation chimique (en collaboration avec Bernard Rousseau de l'iBiTec-S SMMCB CEA Saclay). Ces molécules, appelées galvestines, sont utilisées comme outils pour la recherche, permettant une étude de l'homéostasie lipidique membranaire chez les organismes dotés de plastes.

Figure 3 : Quelques effets de la Galvestine-1 au niveau de l'enzyme-cible (la MGDG synthase, MGD), du développement subcellulaire (genèse des chloroplastes), du développement des feuilles ou de la croissance du tube pollinique.

Comment modéliser ce métabolisme in silico ?

À l'aide des connaissances sur le système lipidique et des données expérimentales, nous avons engagé :

• Le développement d'une nouvelle génération de représentation in silico des voies métaboliques, dédiée aux synthèses des acides gras. Les voies de biosynthèses actuellement disponibles dans les bases de données KEGG et MetaCyc ne couvrent pas la diversité moléculaire très importante des acides gras (nombre de carbones de 8 à > 30, chaînes à nombres pairs ou impairs de carbones, linéaires ou branchés, avec des doubles liaisons, des oxydations, des cycles, etc.) et ne permet pas de représenter les voies de synthèses redondantes. Nous avons développé une base de données pilote appelée AcylUniverse, entièrement peuplée à l'aide d'enzymes virtuelles mimant les activités enzymatiques rencontrées dans la nature. AcylUniverse est plus performante que KEGG et MetaCyc, permet de proposer des scénarios métaboliques pour interpréter des données lipidomiques et sera utile dans le domaine de l'agrochimie.

• Le développement d'approches numériques pour simuler et comprendre les flux métaboliques et les voies de synthèses lipidiques. Nous cherchons en effet à proposer de nouveaux outils conceptuels et de nouvelles méthodes pour comprendre comment les synthèses lipidiques dans les membranes sont reliées à la construction des membranes.

Comment maîtriser ce système chez les microalgues et protistes photosynthétiques et produire des huiles pour les biocarburants 3G et des applications biomédicales ?

Les triacylglycérols sont une source naturelle d'acides gras qui peuvent servir

- comme substitut du pétrole pour les carburants du futur (en particulier les acides gras linéaires et peu insaturés)

- comme source de biomolécules bénéfiques pour la santé (en particulier les acides gras désaturés en oméga-3 ou oxydés).

Le paradigme actuel est que les microalgues seront une source d'huiles pour ces applications dans l'avenir, se fondant sur l'accumulation de triacylglycérol dans les cellules algales lorsqu'elles sont exposées à un milieu carencé en nutriments, en particulier en azote. Cette accumulation d'huile combine néosynthèses et conversions de lipides membranaires. Nous déployons des approches d'écophysiologie, de génétique et de génétique chimique pour optimiser simultanément les rendements en biomasse totale, en production et en qualité d'huile. Nous conduisons nos recherches sur les modèles de diatomée Pheodactylum et de chroméride Chromera. Ces travaux sont réalisés en collaboration étroite avec Giovanni Finazzi (équipe 1 de notre laboratoire), dans le programme DSV BioEnergie du CEA et de l'ANR Bio-Matériaux et Energie DiaDomOil.

L'équipe est membre :

- de l'Institut Carnot LISA (Lipides pour la Santé et l'Industrie)
- de l'Institut Multidisciplinaire de Biochimie des Lipides (GIS IMBL)
- du Groupe d'Etude et de Recherche en Lipidomique (GDR GERLI)
- du LABEX GRAL
- du consortium OCEANOMICS (Biotechnologie et bioressources pour la valorisation des écosystèmes marins planctoniques)

Projets collaboratifs soutenus par :

- L'ANR :

ANR PlasmoExpress, coord L. Bréhélin, Montpellier

ANR RéGal, coll. A. Girard-Egrot, Lyon et C. Breton, Grenoble

ANR DiaDomOil, coll. C. Bowler et A. Falciatore, Paris et Fermentalg, Libourne, labellisé pôle de compétitivité AXELERA

- L'institut Carnot LISA (coll. C. Joffre, Bordeaux)

- Le CEA DSV BioEnergie (coll. JC Cintrat, iBiTec-Saclay et MO Fauvarque, LBGE-iRTSV)

- L'UE FP7 Marie-Curie (coll. G. McFadden, Melbourne, Australie).

Collaboration avec la société FERMENTALG

Notre équipe héberge des projets collaboratifs avec la société Fermentalg, dans le cadre d'un accord avec le CEA.

Mots clefs

Galactolipides, lipides membranaires, galactolipides, huiles, biocarburants, plantes, algues, protistes, Chromalvéolées, Diatomées, Apicomplexes, Lipidomique, Physiologie, Génétique chimique, Biologie des systèmes, Bioinformatique.