Différenciation cellulaire chez la cyanobactérie Nostoc PPC 7120 : relation entre le régulateur transcriptionnel HetR et la Sérine. Thréonine kinase Pkn22, et exploitation des hétérocystes pour la production de biohydrogène

Abstract

Les cyanobactéries sont des microorganismes photosynthétiques de différentes tailles et morphologies. En cas de carence en azote combiné, certaines cyanobactéries filamenteuses comme Nostoc sp. PCC 7120 sont capables de former des cellules spécialisées dans la fixation du diazote atmosphérique, appelées hétérocystes retrouvées selon un motif semi-régulier toutes les 10-15 cellules végétatives. Ils fournissent un environnement favorable au fonctionnement de la nitrogénase une enzyme sensible à l’oxygène produisant de l’hydrogène comme sous-produit de réaction.Ma thèse s’articule autour de deux objectifs : l’étude du régulateur central de la différenciation HetR en suivant la piste d’une régulation post-traductionnelle, et sur l’utilisation des hétérocystes comme centres de production d’hydrogène.L’étude de HetR nous a permis de montrer que cette protéine est phosphorylée et interagit avec une Ser/Thr kinase, Pkn22. Un mutant de cette dernière présente un retard de différenciation suggérant un rôle dans les étapes précoces. Nous avons identifié des résidus importants dans l’interaction avec la kinase, et nous avons montré que la substitution de certaines serine impacte la différenciation et la capacité de se fixer à l’ADN.Les hétérocystes se sont révélés être un lieu propice au fonctionnement de l’hydrogénase HydA de la bactérie anaérobie Clostridium acetobutylicum. En couplant la production de l’hydrogénase et la diminution du taux d’oxygène par la cyanoglobine GlbN de Nostoc commune, ou de la flavoprotéine Flv3 nous avons pu augmenter drastiquement la production d’hydrogène.Cyanobacteria are photosynthetic microorganisms with various shapes and morphologies. In case of combined nitrogen starvation, some filamentous cyanobacteria such as Nostoc sp. PCC 7120 are capable to form cells specialized in atmospheric nitrogen fixation, called heterocysts which form a semi-regular pattern of one each 10-15 vegetative cells. They provide a microoxic environment favorable to nitrogenase extremely sensitive to oxygen to function which produces hydrogen as byproduct. My thesis discusses two topics: study of HetR, the master regulator of differentiation based on post translational modification, and the use of heterocyst as hydrogen manufactories.We demonstrate that HetR is a phosphoprotein interacting with a Ser/Thr kinase, Pkn22. A pkn22 mutant displays a delay in the differentiation process suggesting an involvement in the early steps of differentiation. We highlight residues important for the interaction with the kinase and showed that substitution of serine residues in alanine impacts differentiation and DNA-binding. We showed that heterocysts are favorable to the function of HydA hydrogenase from the anaerobic bacteria Clostridium acetobutylicum. Coupling HydA production to the decrease of oxygen amount via GlbN a cyanoglobin from Nostoc commune or the flavodiiron protein Flv3 permit to increase hydrogen evolution. The discovery of a new level of regulation of the differentiation by Pkn22 through the phosphorylation of HetR and the demonstration of new means to increase hydrogen evolution arouse new questions and could permit in fine to develop new strains optimized for hydrogen evolution at high scale