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RÉSUMÉ
Les bactéries magnétotactiques représentent un ensemble varié de procaryotes aquatiques qui biominéralisent des organites uniques, appelés magnétosomes. Ces organites permettent aux cellules de s'orienter passivement le long des lignes du champ magnétique terrestre. Les magnétosomes sont composés d'un nanocristal magnétique, de magnétite ou de greigite, entouré par une biomembrane. Leurs propriétés présentent un intérêt pour le paléomagnétisme mais aussi pour les biotechnologies et la nanotechnologie, notamment dans le domaine des applications médicales.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Christopher T. LEFÈVRE : Post-doctorant au laboratoire de Bioénergétique cellulaire, CEA de Cadarache
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Nicolas GINET : Chargé de recherche CNRS au laboratoire de Bioénergétique cellulaire, CEA de Cadarache
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Nicolas MENGUY : Professeur à l'Institut de minéralogie et de physique des milieux condensés, université Pierre et Marie Curie
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David PIGNOL : Chercheur CEA, chef du laboratoire de Bioénergétique cellulaire, CEA de Cadarache
INTRODUCTION
Les bactéries magnétotactiques sont des procaryotes à gram négatif, mobiles, qui ont la particularité de biosynthétiser des cristaux intracellulaires constitués d'oxyde ou de sulfure de fer. Ces nanocristaux magnétiques sont entourés par une membrane et sont alignés en chaîne dans le cytoplasme de la bactérie. Ils sont alors appelés « magnétosomes » et permettent à la cellule de s'orienter et de nager le long de lignes de champ magnétique, artificiel ou terrestre. Richard Blakemore fut le premier à décrire les magnétosomes des bactéries magnétotactiques en 1975 .
Les bactéries magnétotactiques sont des micro-organismes ubiquistes rencontrés dans les sédiments aquatiques ou la colonne de plans d'eau stratifiés, majoritairement au niveau de la zone de transition oxique-anoxique ou bien juste en dessous, dans la zone anoxique. On les trouve aussi bien dans l'eau de mer qu'en eau douce. Ce groupe de procaryotes est morphologiquement, phylogénétiquement et physiologiquement très varié. Cependant, seules quelques bactéries magnétotactiques ont pu être isolées en culture pure et peu de choses sont connues sur leur plasticité métabolique. À l'heure actuelle, les espèces magnétotactiques les mieux décrites appartiennent au genre Magnetospirillum. Les représentants de ce genre sont cultivés de façon reproductible en grande quantité et la plupart d'entre eux peuvent être manipulés génétiquement. Ainsi, la majorité de nos connaissances fondamentales sur le métabolisme, la génétique et la biochimie des bactéries magnétotactiques provient d'études réalisées sur des espèces appartenant à ce genre. Les Magnetospirillum sont également à l'origine des nombreuses études exploitant le potentiel des bactéries magnétotactiques ou seulement de leurs magnétosomes pour des applications biotechnologiques.
Dans cet article, nous nous attacherons à présenter l'état des connaissances fondamentales sur la biodiversité des bactéries magnétotactiques et sur les mécanismes moléculaires de synthèse des cristaux qu'elles biominéralisent. Les potentiels d'utilisation des bactéries magnétotactiques dans les domaines tels que la géologie et les biotechnologies seront ensuite détaillés.
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Biodiversité des bactéries magnétotactiques
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5. Conclusion
Après 40 ans d'études scientifiques, les bactéries magnétotactiques restent un sujet riche et fascinant pour de nombreuses disciplines. D'un point de vue fondamental, des progrès majeurs ont ainsi été réalisés dans l'identification des déterminants génétiques impliqués dans la synthèse du magnétosome, et une vue préliminaire des différentes étapes de la synthèse de cet organite peut être maintenant décrite. Les mécanismes moléculaires sous-jacents demeurent cependant encore largement inconnus. De nombreux travaux sont également en cours pour caractériser l'histoire de l'évolution des bactéries magnétotactiques afin de trancher entre une magnétotaxie provenant d'un transfert de gène horizontal entre micro-organismes, ou bien résultant d'une perte d'un caractère ancestral. Enfin, les approches biotechnologiques actuellement développées sont directement liées et conditionnées aux progrès obtenus dans la compréhension des processus fondamentaux de la biogenèse des magnétosomes, que ce soit pour l'adressage optimisé de fonctions biologiques à la surface du magnétosome, la recherche de stimuli environnementaux permettant d'obtenir des productions optimales de biomasse et de nanocristaux ou la recherche de souches présentant des propriétés nouvelles. Dans ce contexte, le Saint-Graal serait de comprendre et de maîtriser les processus de synthèse du magnétosome afin de pouvoir transférer à façon la propriété de produire des nanocristaux magnétiques fonctionnalisés à d'autres organismes. Toutefois, le nombre de laboratoire travaillant sur cette thématique reste relativement faible compte tenu de la multidisciplinarité de ce sujet et des nombreuses investigations envisageables. À ce jour, notre communauté est formée par trois laboratoires aux États-Unis (Dennis Bazylinski, université de Las Vegas, Nevada ; Arash Komeili, université de Berkeley, Californie et Tanya Prozorov, laboratoire d'Ames, Iowa), un laboratoire au Brésil (Ulysses Lins, université de Rio de Janeiro), deux laboratoires en Allemagne (Dirk Schüler, université Ludwig-Maximilians, Munich et Damien Faivre, Institut Max Planck, Potsdam), trois laboratoires en France (Long Fei Wu, laboratoire de Chimie bactérienne, Marseille ; David Pignol, laboratoire de Bioénergétique cellulaire, CEA Cadarache et Nicolas Menguy et Edouard Alphandéry, Institut de minéralogie et de physique des milieux condensés, Paris), un laboratoire en Hongrie (Mihály Pósfai,...
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BIBLIOGRAPHIE
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(2) - BAZYLINSKI (D.A.), FRANKEL (R.B.) - Magnetosome formation in prokaryotes. - Nature Rev. Microbiol., 2, p. 217-230 (2004).
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(3) - MOSKOWITZ (B.M.), BAZYLINSKI (D.A.), EGLI (R.), FRANKEL (R.B.), EDWARDS (K.J.) - Magnetic properties of marine magnetotactic bacteria in a seasonally stratified coastal pond (Salt Pond, MA, USA). - Geophys. J. Int., 174, p. 75-92 (2008).
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(4) - LEFÈVRE (C.T.), MENGUY (N.), ABREU (F.), LINS (U.), PÓSFAI (M.), PROZOROV (T.), PIGNOL (D.), FRANKEL (R.B.), BAZYLINSKI (D.A.) - A cultured greigite-producing magnetotactic bacterium in a novel group of sulfate-reducing bacteria. - Science, 334, p. 1720-1723 (2011).
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(5) - LEFÈVRE (C.T.), ABREU (F.), SCHMIDT (M.L.), LINS (U.), FRANKEL (R.B.), HEDLUND (B.P.), BAZYLINSKI (D.A.) - Moderately thermophilic magnetotactic bacteria from hot springs in Nevada USA. - Appl. Environ. Microbiol., 76, p. 3740-3743 (2010).
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