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Lipidomique | Biocarburants 3e génération


Équipe Biogenèse, dynamique et homéostasie des lipides membranaires

Publié le 4 juillet 2017


Responsables



Éric Maréchal

Tel. : 04 38 78 49 85
Fax : 04 38 78 50 91


Juliette Jouhet

Tel. : 04 38 7838 55
Fax : 04 38 78 50 91


Adresse

Laboratoire Physiologie Cellulaire & Végétale
CEA-Grenoble
17 avenue des Martyrs
38 054 Grenoble cedex 9
France


Membres de l'équipe

Catherine Albrieux, IE1 CNRS
Alberto Amato, Post-doc CEA
Olivier Bastien, CR1 INRA
Élodie Billey, Post-doc CEA
Maryse Block, DR2 CNRS
Séverine Collin, Chercheur, Total
Mélissa Conte, Ingénieur CDD CEA
Younès Dellero, Post-doc CEA
Denis Falconet, CR1 CNRS
Valérie Gros, Technicienne CNRS
Juliette Jouhet, CR2 CNRS
Morgane Lapeyre, Technicienne CDD CEA
Mariette Lefranc-Bedhomme, Chercheur CDD CEA
Mehdi Lembrouk, Technicien CDD CEA
Josselin Lupette, étudiant en thèse
Julie Marais, Technicienne CDD CEA
Éric Maréchal, DR1 CNRS
Coralie Metton, Technicienne CDD CEA
Fabrice Rébeillé, Chercheur CEA
Suzanne Rose, Chercheur CEA
Sylvaine Roy, Ingénieur Bioinformatique CEA
Juliette Salvaing, Chercheur INRA
Khawla Seddiki, IE CEA

Juin 2017


Musée de Grenoble, juin 2016


Roscoff, avril 2016


Juin 2015



Précédents collaborateurs

César Botella, Thèse CEA GRAL
Cyrille Botté, Marie-Curie Post-doc
Yoshiki Yamaryo-Botté, Tokyo Institute of Technology Post-doc CR2 CNRS
Céline Cataye, AI ANR
Florian Chevalier, Post-doc CNRS
Olivier Clerc, IE CNRS
Mélissa Conte, AI CEA
Mathilde Cussac, Technicienne
Cécile Durand, Technicienne Fermentalg
Lina-Juana Dolch, Thèse CEA Irtelis
Aurélie Fangain, Ingénieur
Marina Leterrier, Post-doc Fermentalg
Coline Mei, Thèse CNRS Région Rhône-Alpes
Morgane Michaud, Post-doc
Christian Morabito, Ingénieur
Camille Rak, AI CEA
Alexandra Thomas, BTS Anabiotech

Guillaume Tourcier, AI CEA


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 3ème 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.


La biodiversité des organismes photosynthétiques, aptes à capturer le CO2 de l'atmosphère et le convertir en molécules organiques, est issue d'une histoire évolutive très complexe.

Les organismes photosynthétiques, des algues aux végétaux vasculaires, ont une organisation cellulaire unique dans le monde vivant de par la présence d'un chloroplaste. Cet organite contient des membranes empilées en très grand nombre, aussi appelés les thylacoïdes, dans lesquelles s'insèrent les photosystèmes. On estime que 1 m2 de feuilles contient 2,5 hectares de surfaces photosynthétiques, soit plus de deux fois la surface d'un stade de football. La surface de capture d'énergie solaire par le phytoplancton n'a pas été évaluée mais il est certain que cette structure membranaire biologique est de dimension colossale à l'échelle de la biosphère. De fait, les organismes photosynthétiques ont cette faculté de capturer le CO2 après conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique et en pouvoir réducteur, et d'orienter le carbone ainsi prélevé de l'atmosphère vers le métabolisme et toutes ses voies de synthèses organiques. La biomasse représentée par le phytoplancton des océans représente seulement 1-2% du carbone végétal de la biosphère, mais ces organismes fixent de l'ordre de 40% du CO2. La biomasse construite par ces producteurs dit primaires alimente les réseaux trophiques, avec finalement un retour du carbone dans l'atmosphère sous forme de CO2 par le processus de respiration. Des volumes importants de biomasse a été sédimentée et fossilisée et est actuellement exploitée sous la forme d'hydrocarbures dits "fossiles", avec une émission du CO2 décalée dans le temps et de ce fait, un cycle non équilibré. La production de biomasse par l'Homme, avec une qualité adéquate pour remplacer les carburants fossiles, permettrait donc non seulement de compenser l'épuisement des ressources pétrolières dans les décennies futures, mais aussi de synchroniser la capture et l'émission du CO2 atmosphérique, avec un bilan équilibré. Un effort important a donc été mené dans la recherche de solutions pour produire et exploiter la biomasse, en commençant par une évaluation des agro-ressources disponibles. La preuve du concept d'une conversion de la biomasse issue de plantes cultivées sur sols (canne à sucre, colza, etc.), pour les biocarburants de première et seconde génération a été faite, mais la concurrence entre surfaces cultivées pour l'alimentation animale et humaine et les bioénergies n'est pas résolue, et l'emploi d'intrants polluants s'avère un problème environnemental supplémentaire. Les modèles économiques ne sont pas viables sur le long terme. Une solution prometteuse est d'exploiter les algues, en particulier les microalgues, car cette ressource est en théorie simple à cultiver, en système ouvert ou clos, avec la possibilité d'accumuler des composés organiques convertibles en substituts du pétrole, à savoir les triacylglycérols ou huiles. Cependant, si la preuve de concept a été faite qu'il était possible d'amplifier l'accumulation d'huiles dans ces organismes, jusqu'à 80% du poids sec dans nos conditions de laboratoire, la biomasse produite est encore trop faible et la viabilité économique d'une industrie fondée sur ces algo-ressources toujours à démontrer.

Les Chromalvéolés (ou Chromalveolata).
On appelle Chromalvéolés, l'ensemble des protistes dont l'émergence suit une endosymbiose secondaire avec une algue rouge et dont les cellules contiennent souvent des sacs membranaires aplatis, sous la membrane plasmique (ces sacs sont aussi appelés des alvéoles). Ce super-groupe a été défini en 1981 par T. Cavalier Smith, et représente, dans la classification révisée en 2005, l'un des 6 taxons majeurs des eucaryotes. Ce phylum comprend entre autre les Apicomplexa, les Chromérides, les Diatomées et les Haptophytes dont les Eustigmatophytes. La phylogénie des Chromalvéolées est encore sujette à controverse et nécessite un effort important de recherche, auquel nous contribuons.

Modèles d'organismes étudiés dans l'équipe.
Le laboratoire de Physiologie Cellulaire & Végétale du CEA Grenoble présente cette particularité d'aborder l'étude des organismes photosynthétiques sur un éventail de modèles allant des algues unicellulaires (avec un travail important chez Chlamydomonas) jusqu'aux végétaux vasculaires (et le modèle Arabidopsis). L'équipe cherche enfin à établir les principes généraux et communs aux Chromalvéolés, relatifs à l'organisation du métabolisme des glycérolipides et à la production d'huiles, chez deux autres modèles, Phaeodactylum et Nannochloropsis, avec des collaboration avec les laboratoires qui ont été pionniers dans le séquençage des génomes correspondants, respectivement Chris Bowler à l'ENS Paris et Shawn Starkenberg au Los Alamos National Laboratory, USA. Avec Chromera, et Arabidopsis qui constitue notre référence de plante supérieure, ces organismes constituent les modèles pour notre projet d'équipe.



Figure 4 : Les modèles d'organismes photosynthétiques et de Chromalveolata étudiés au laboratoire de Physiologie Cellulaire & Végétale et plus particulièrement dans l'équipe (organismes limités par un trait pointillé).

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).




Notre équipe héberge des projets collaboratifs avec

• la société Fermentalg. Lire le Communiqué de presse du 03 mars 2014 intitulé : Fermentalg et le CEA optimisent la production de microalgues en mixotrophie.
Séminaire
Podcast 'les ateliers de l'information' du séminaire concernant l'utilisation de la lumière pour déchiffrer les architectures du vivant.
  

Mots clefs

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