Des scientifiques créent un contrôle spatial programmable des organites bactériens

Pendant longtemps, les bactéries ont été supposées dépourvues d'organites, mais des recherches ont révélé qu'elles organisent leurs réactions biochimiques à l'aide de microcompartiments protéiques, d'encapsulins, de condensats biomoléculaires, et même d'organites délimités par des membranes. L'un des défis majeurs de la biologie synthétique réside dans le fait que lorsque ces organites sont exprimés de manière hétérologue dans des microbes industriels tels qu'<i>E. coli</i>, le nucléoïde bactérien agit comme une barrière à la diffusion, entraînant l'agrégation des organites aux pôles cellulaires. Cette mislocalisation polaire conduit à une hérédité inégale entre les cellules filles et compromet sévèrement la fonction des organites.

Cette étude a cherché à déterminer si un module de positionnement naturel à deux protéines — McdAB, qui distribue normalement les carboxysomes (organites fixateurs de CO2) de manière uniforme le long du nucléoïde chez les bactéries autotrophes — pouvait être reprogrammé pour organiser spatialement d'autres types d'organites bactériens. McdA est une ATPase de la famille ParA qui génère des gradients protéiques dynamiques sur le nucléoïde, tandis que McdB relie McdA à sa cargaison. Ensemble, ils forment un système minimal et auto-organisé ne nécessitant aucune machinerie cellulaire supplémentaire.

L'équipe a d'abord reconstitué des alpha-carboxysomes issus de <i>Halothiobacillus neapolitanus</i> dans <i>E. coli</i> à l'aide de la trousse de plasmides inductibles pXpressome, en fusionnant la petite sous-unité de la Rubisco à des marqueurs fluorescents pour l'imagerie en temps réel. En l'absence de McdAB, de larges agrégats polaires se formaient. En présence de la co-expression de McdAB, plusieurs foyers de carboxysomes bien distribués apparaissaient sur l'ensemble du nucléoïde. La cryo-tomographie électronique in situ a confirmé que McdAB non seulement redistribuait les carboxysomes, mais améliorait également la qualité de leur assemblage — des organites de taille appropriée (80–120 nm) étaient observés répartis dans l'ensemble des cellules, contre des agrégats surdimensionnés et désordonnés aux pôles dans les conditions contrôles. De manière remarquable, les tomogrammes ont suggéré que McdAB pourrait également faciliter la division des carboxysomes par invagination de l'enveloppe.

De façon cruciale, les chercheurs ont ensuite démontré que McdAB pouvait être reprogrammé pour organiser spatialement toutes les autres classes connues d'organites bactériens. En remplaçant le domaine de liaison natif de McdB aux carboxysomes par des séquences de ciblage spécifiques aux encapsulins, aux condensats biomoléculaires ou aux organites délimités par des membranes, ils ont converti McdAB en une plateforme de positionnement généralisable. Dans chaque cas, McdAB a transformé des agrégats polaires en réseaux dynamiques et uniformément distribués. La nature modulaire et réversible du système le rend hautement adaptable aux applications de biologie synthétique.

Ces résultats établissent le contrôle spatial comme un nouveau principe de conception modulable en microbiologie synthétique — venant compléter les outils existants qui contrôlent quelles réactions se déroulent à l'intérieur des organites, par une nouvelle capacité à contrôler où ces réactions se produisent dans la cellule. Les implications s'étendent à l'ingénierie de biocatalyseurs microbiens plus efficaces, notamment des souches capables d'une fixation accrue du CO2, de la production de composés chimiques spécialisés et d'une compartimentation métabolique.