La Dynamique de la Force Motrice des Protons Alimentant le Moteur Flagellaire Bactérien : Caractérisation Temporelle et Spatiale

La force motrice des protons (PMF) est un potentiel électrochimique essentiel établi à travers les membranes des bactéries, des mitochondries et des chloroplastes. Elle opère comme une "monnaie d'échange" bioénergétique qui alimente une vaste gamme de processus physiologiques, dont la synthèse de l'ATP et la motilité bactérienne. Bien que traditionnellement considérée comme homogène le long de la membrane, des études récentes ont démontré que la PMF est hétérogène le long de la membrane interne mitochondriale. Cette particularité découle de la complexité géométrique de la membrane interne, caractérisée par des replis nommées crêtes mitochondriales ou cristae, qui sont isolées électriquement et agissent en tant qu'entités bioénergétiques indépendantes. De plus, contrairement à une distribution uniforme sur la membrane, le complexe respiratoire I, responsable de la translocation des protons et de la génération de la PMF par transfert électronique spontané dans la chaîne de transport des électrons, se localise principalement sur les surfaces latérales de ces crêtes. Dans le cas des bactéries, les complexes respiratoires s'organisent également en microdomaines de manière dynamique, optimisant potentiellement le flux d'électrons au sein des chaînes de transfert d'électrons associées. De plus, une telle compartimentalisation a ouvert la voie à d'éventuelles altérations locales significatives de la concentration en protons, induisant ainsi une hétérogénéité spatiale de la PMF. Par ailleurs, des expériences récentes ont révélé une dynamique temporelle complexe au niveau de la cellule individuelle. Les dépolarisations rapides de la membrane observées sur les cellules d'Escherichia coli, liées à la mécanosensibilité et à la communication intercellulaire au sein des biofilms, témoignent d'une PMF dynamique dans le temps.L'objectif central de cette thèse résidait dans la caractérisation de la dynamique de la PMF au sein d'E. coli à la fois sur le plan temporel et spatial. Pour atteindre cet objectif, les moteurs flagellaires ont été utilisés en tant que capteurs locaux de la PMF à la surface de leur membrane interne, profitant de la corrélation linéaire entre leur vitesse de rotation et la PMF. De plus, des perturbations de la PMF ont été réalisées en utilisant une excitation laser structurée dans l'espace et dans le temps sur des bactéries individuelles exprimant la protéorhodopsine (PR), une pompe à protons activé par la lumière, permetant de générer un excès de PMF. Cette approche a permis de résoudre la dynamique temporelle avec une précision à l'échelle de la milliseconde, mettant en évidence une réponse capacitive asymétrique.De plus, des perturbations localisées sur des cellules bactériennes filamentaires étendues, ont permis de démontrer que la PMF s'homogénéise rapidement sur toute la longueur de la cellule, un processus plus rapide que la diffusion des protons ne le permettrait. Au lieu de cela, la réponse électrique peut être expliquée par la propagation du potentiel électrotonique, similaire à ce qui est observé dans les neurones passifs et décrit par la théorie des câbles. Cette observation suggère un couplage global entre les sources et les consommateurs de PMF au sein de la membrane bactérienne, excluant une hétérogénéité spatiale persistante tout en permettant des dynamiques temporelles rapides.