Contrats et financements de recherche

ANR TOR-DYRK control [2021-2025]

Ce projet financé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) vise à lever le verrou biologique qui force les microalgues à bloquer leur croissance lorsqu’elles stockent de grandes quantités de molécules énergétiques, pour que croissance et stockage deviennent compatibles.

Plusieurs approches, menées indépendamment ces dernières années par les équipes de l’Institut de Biosciences et biotechnologies d’Aix-Marseille (BIAM), ont montré que certains régulateurs majeurs de leur fonctionnement cellulaire, les protéines kinases, régissent cette balance entre croissance et accumulation de lipides de réserves. Le verrou étant identifié, il faut à présent en comprendre tous les engrenages.

Dévoiler les fins mécanismes au cœur des cellules

Fondé sur ces découvertes, le projet TOR-DYRKcontrol ira plus loin en utilisant des approches biochimiques et génétiques afin de comprendre comment ces différentes kinases interagissent entre elles au cœur des cellules de plantes et d’algues pour réguler finement la croissance et le stockage de lipides. Les équipes LGBP et EBM du BIAM se sont associées à une équipe de l’INRAE (Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement) pour son expertise dans l’édition du génome des plantes et des microalgues afin de modifier le plus finement possible ces voies de signalisation en intégrant leurs dernières découvertes réalisées chez les plantes.

Schéma 1 : le réseau de régulation impliquant les kinases TOR et DYRK relie l’état nutritionnel à la croissance et à l’accumulation de lipides de réserve (huile), source de biocarburant. Les lignes vertes correspondent aux résultats obtenus pour la plante modèle Arabidopsis thaliana et les lignes rouges aux résultats obtenus pour la microalgue Chlamydomonas reinhardtii. Les lignes pleines indiquent les étapes connues, tandis que les lignes en pointillés correspondent aux étapes qui ne sont pas entièrement comprises. 

L’objectif de ces recherches visera le développement de solutions pour augmenter l’accumulation de lipides de réserves sans compromettre la croissance des microalgues pour améliorer leur productivité et faciliter leur utilisation dans le développement des biocarburants de 3^eme génération.

Coordinateur / contact LGBP : Benoît Menand
Partenaires : Yonghua Li-Beisson, BIAM/EBM CEA Cadarache; Fabien Nogué, INRAe, Versailles

ANR PRC RevelOrg [2021-2024]

L’objectif du programme RevelOrg, financé par l’Agence Nationale de la Recherche, est de révéler (Revel) les mécanismes d’acclimatation de la photosynthèse par une approche comparative entre organismes (Org) photosynthétiques, du phytoplancton aux plantes terrestres.

Qu’ils soient aquatiques ou terrestres, tous les organismes photosynthétiques contrôlent très finement la photosynthèse pour optimiser son fonctionnement face aux multiples fluctuations de leur environnement. En effet l’appareil photosynthétique augmente au maximum l’absorption de photons dans le cas d’une faible luminosité et, à l’inverse, réduit significativement sa capture de lumière tout en augmentant la production photosynthétique lorsque la lumière s’intensifie. La photosynthèse a également la particularité d’absorber et fixer le CO₂ atmosphérique, responsable du réchauffement climatique. Comprendre la régulation de l’appareil photosynthétique contribue donc à faire avancer les connaissances et anticiper les conséquences sur le réchauffement planétaire.

Pour comprendre finement les mécanismes de la photosynthèse, l’Institut de Bioscience et Biotechnologies d’Aix-Marseille (BIAM) et l’Institut de Biologie Intégrative de la Cellule (I2BC) s’associent dans le cadre du projet RevelOrg, dans une approche comparative de trois organismes photosynthétiques différents (cyanobactéries, algues et plantes). Nous dévoilerons leurs mécanismes d’acclimatation en réponse à différentes intensités lumineuses qu’ils soient terrestres ou aquatiques, d’eau douce ou salée.

Représentation schématique de RevelOrg

Ce projet de recherche fondamentale détaillera la fonction moléculaire des photosystèmes qui augmentent le transfert d’électrons en forte lumière et donc aussi la captation du CO₂. Cela nous permettra de mieux comprendre les contraintes exercées par l’environnement dans le contexte du changement climatique. Ces recherches pourraient, dans le futur, ouvrir sur certaines opportunités nous permettant d’améliorer le processus de capture du CO₂ par les organismes photosynthétiques. L’intérêt serait de pouvoir renforcer ce processus tant dans le secteur du développement des bioénergies que pour améliorer les rendements agricoles.

Coordinatrice : Xenie Johnson (P&E, BIAM)

Contact LGBP : Stefano Caffarri.

Partenaire extérieur : Corinne Cassier-Chauvat (I2BC)

SIGNAUX_BIONRJ [2015-2021]

Produire des précurseurs de biocarburants ou lipides de réserve (TAG), sans compromettre la croissance des microalgues

Le projet SIGNAUX BIONRJ visait à étudier comment la manipulation des voies de signalisation du stress et de l’énergie peut permettre l’augmentation de la production en biocarburants par les eucaryotes photosynthétiques et notamment les microalgues.

Le développement des énergies renouvelables est un enjeu majeur pour notre société alors que l’accessibilité aux carburants fossiles est limitée et que les problèmes liés au changement climatiques s’aggravent. Les biocarburants de 3^eme génération sont une solution prometteuse car ils se basent sur des organismes photosynthétiques qui transforment l’énergie solaire en énergie chimique lors de la photosynthèse, un processus qui capte le CO₂ atmosphérique. Les microalgues sont particulièrement intéressantes car elles n’entrent pas en compétition avec l’agriculture et produisent des lipides de réserves, les triacyglycérols (TAG), qui peuvent être transformés en biocarburants dits de 3ème génération. Cependant, plusieurs verrous technologiques et biologiques limitent la production industrielle de biocarburants par les microalgues. D’un point de vue biologique, la productivité est limitée par le fait que les plus fortes concentrations en TAG sont obtenues en condition de carence nutritive (limitation en azote notamment) qui bloque la croissance et limite le rendement. L’idée de SIGNAUX_BIONRJ est que la manipulation des voies de signalisation du stress et de l’énergie pourrait augmenter l’accumulation de TAG sans compromettre la croissance et ainsi améliorer le rendement des biocarburants de 3ème génération.

Manipulation des voies de signalisation du stress et de l’énergie

Afin d’appréhender l’évolution de voies de signalisation chez les algues et les plantes, nous avons réalisé notre étude chez des algues et des plantes très divergentes : les diatomées et les mousses. Nous avons focalisé notre étude sur la voie de signalisation de la protéine kinase cytosolique TOR (Target Of Rapamycin) qui est conservée chez l’ensemble des eucaryotes y compris les humains et la voie de signalisation du ppGpp (médiée par les nucléotides guanosine penta- and tetraphosphate) dans les chloroplastes. Du fait de la forte conservation de la protéine TOR, nous avons pu utiliser des inhibiteurs sélectifs de cette kinase développés en oncologie et dont nous avons montré l’efficacité pour inhiber cette kinase chez les plantes et les algues et étudier son rôle. Concernant la voie du ppGpp, nous avons développé des systèmes d’induction contrôlée d’une enzyme induisant la synthèse du ppGpp au sein des chloroplastes. Ces outils nous ont permis d’étudier finement le rôle de ces deux voies de signalisation par des approches physiologique, biochimique lipidomique et protéomique.

Résultats

Nous avons démontré qu’une manipulation de l’activité de la kinase TOR peut conduire à une amélioration de la productivité en TAG chez une microalgue, en comparaison avec une carence en azote, ce qui était l’objectif essentiel du projet. Cette avancée vers une application biotechnologique nécessitera sans doute d’améliorer encore cette productivité en jouant sur des sous-éléments spécifiques de cette voie de signalisation. Nous avons observé une situation plus complexe pour le ppGpp où son accumulation conduit à une accumulation transitoire de TAG au sein d’une gouttelette lipidique chez une diatomée puis à une diminution de l’accumulation de TAG.

Perspectives

La caractérisation de conditions permettant une production de TAG sans compromettre la croissance participerait à lever un verrou important pour l’essor des biocarburants de 3^ème génération. Suite à ce projet, des expériences en incubateurs de microalgues à grande échelle pourront être développées.

Coordinateur / contact LGBP : Benoît Menand
Partenaires extérieurs : Yonghua Li-Beisson, BIAM/EBM, CEA Cadarache; Brigitte Gontero, BIP, CNRS Marseille

Production scientifique : Harchouni, S., England, S., Vieu, J., Aouane, A., Citerne, S., Legeret, B., Li-Beisson, Y., Menand, B.#, Field, B.# (2021) Guanosine tetraphosphate (ppGpp) accumulation inhibits chloroplast gene expression and promotes super grana formation in the moss Physcomitrium (Physcomitrella) patens. BioRxv doi.org/10.1101/2021.01.06.425534

Avilan, L., Lebrun, R., Puppo, C., Citerne, S., Cuine, S., Li-Beisson, Y., Menand, B., Field, B.#, Gontero, B.# (2021) ppGpp influences protein protection, growth and photosynthesis in Phaeodactylum tricornutum (2021) New Phytologist. doi: 10.1111/nph.17286.

Prioretti, L., Carriere, F., Field, B., Avilan, L., Montané M.-H., Menand, B.#, Gontero, B.# (2020) Minireview: Targeting TOR signaling for enhanced lipid productivity in algae. Biochimie 169, 12-17.

Avilan, L., Puppo, C., Villain, A., Bouveret, E., Menand, B. Field, B.#, Gontero, B.#. (2019) RSH enzyme diversity for (p)ppGpp metabolism in Phaeodactylum tricornutum and other diatoms. Scientific Reports 9, 17682.

Prioretti, L., Avilan, L., Carriere, F., Montané, M.-H., Field, B., Gregori, G., Menand, B.#, Gontero, B.#. (2017). The inhibition of TOR in the model diatom Phaeodactylum tricornutum promotes a get-fat growth regime. Algal Research 26, 265–274.7.

Montané, MH#, Menand, B.# (2019) TOR inhibitors: from mammalian outcomes to pharmacogenetics in plants and algae, Journal of Experimental Botany 70, 2297-2312, erz053.

Harchouni, S., Field, B.#, & Menand, B.# (2018). AC-202, a highly effective fluorophore for the visualization of lipid droplets in green algae and diatoms. Biotechnology for biofuels, 11, 120.

Field (2018) Green magic: regulation of the chloroplast stress response by (p)ppGpp in plants and algae. Journal of Experimental Botany. (2018) May 19;69(11):2797-2807. doi: 10.1093/jxb/erx48

ANR G4plast [2017-2022]

La réponse stringente est une voie générale de réponse au stress conservée chez les procaryotes, et qui est orchestrée par les nucléotides guanosine pentaphosphate et guanosine tetraphosphate (abrégés en (p)ppGpp ici). Des enzymes conservées et nécessaires pour la synthèse de (p)ppGpp sont également présentes chez les eucaryotes photosynthétiques, et ceci est la conséquence de l’origine cyanobactérienne du chloroplaste. Dans les bactéries, le (p)ppGpp joue un rôle pléiotrope de coordination de la croissance en réponse à des variations de l’environnement. Le (p)ppGpp réprime la synthèse des macromolécules impliquées dans la prolifération (protéines, RNA, DNA, acides gras et phospholipides), et à l’inverse active des voies générales de réponse au stress. Dans les plantes, on retrouve des enzymes de synthèse du (p)ppGpp de la famille RSH (pour RelA/SpoT Homolog) qui sont localisées dans le chloroplaste, et du (p)ppGpp est détecté. Nous avons récemment montré in vivo dans Arabidopsis que le (p)ppGpp était un inhibiteur de l’expression du génome chloroplastique, et que les enzymes RSH régulaient l’homéostasie du (p)ppGpp pour contrôler les fonctions du chloroplaste et pour influencer la croissance et le développement. Toutefois, nous ne savons pas grand chose sur la façon dont les enzymes RSH sont elles-mêmes contrôlées et nous ne connaissons pas la nature des cibles du (p)ppGpp dans le chloroplaste, ni le rôle du (p)ppGpp en réponse au stress. De plus, nous savons peu de choses sur le fonctionnement de cette voie de signalisation dans différents organismes photosynthétiques.

Les objectifs du projet sont :

D’élucider les mécanismes moléculaires et la régulation de la synthèse du (p)ppGpp dans le chloroplaste des plantes et des algues unicellulaires.

De comprendre le rôle du (p)ppGpp dans le fonctionnement du chloroplaste et son adaptation au stress. Nous utiliserons des approches innovantes de génétique moléculaire, de biochimie, et des approches ‘omic pour étudier ces questions dans les deux organismes modèles Arabidopsis et Chlamydomonas. L’expertise préalable des laboratoires partenaires dans le sujet, l’existence de résultats préliminaires solides et d’outils génétiques validés, soutiennent les approches proposées et permettront une mise en œuvre rapide du projet. Ce projet apportera des résultats originaux et importants dans le domaine émergent de l’étude du (p)ppGpp chez les eucaryotes photosynthétiques. De plus, il permettra de renforcer et faire émerger un pôle d’expertise visible à l’échelle européenne, regroupant plusieurs laboratoires de Marseille travaillant sur le (p)ppGpp. L’étude de la croissance et des voies de réponse au stress chez les plantes et les algues unicellulaires est primordiale, car ces organismes sont responsables d’environ 75% de la production primaire sur terre, et sont essentiels à l’approvisionnement en nourriture et en biofuel pour l’humanité.

Coordinateur / contact LGBP : Ben Field

Partenaires : Emanuelle Bouveret, Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Macromoléculaires (LISM), Marseille; et Institut de Biologie Physico-chimique, Paris

Publications : Julia Bartoli, Sylvie Citerne, Gregory Mouille, Emmanuelle Bouveret, Ben Field. Quantification of guanosine triphosphate and tetraphosphate in plants and algae using stable isotope-labelled internal standards. Talanta, Elsevier, 2020, 219, pp.121261. ⟨10.1016/j.talanta.2020.121261⟩.