Membrane adaptation in hyperthermophilic Archaea : Role of polar headgroups in membrane stability

Adaptation membranaire chez les Archées hyperthermophiles : Rôle des têtes polaires dans la stabilité des membranes Parmi les trois domaines du vivant, les Archées se distinguent par la structure singulière de leurs lipides membranaires, constitués de deux chaînes polyisoprénoïdes liées au glycérol par des liaisons éther, contrairement aux chaînes d'acides gras estérifiées des Bactéries et des Eucaryotes. Cette composition unique confère à leurs membranes une stabilité exceptionnelle, leur permettant de survivre dans des environnements extrêmes. Malgré leur rôle central, la diversité et les voies de biosynthèse des lipides polaires archéens demeurent encore largement méconnues. Dans ce contexte, cette thèse explore l'organisation membranaire de Pyrococcus furiosus, une Archée hyperthermophile. Historiquement, sa membrane était décrite comme composée majoritairement de phosphatidylinositol-diéther (PI-DGD). Cependant, grâce à une approche combinant génétique et analyses lipidomiques, il a été démontré que le PI-DGD n'est en réalité qu'un constituant mineur de la membrane de P. furiosus, co-éluant avec deux autres lipides : le phosphatidylglucose (PGlc-DGD) et le phosphatidylmannose. Ces résultats remettent en question les annotations historiques des lipides et soulignent la nécessité de valider expérimentalement ces identifications. Ils révèlent également des erreurs d'annotation de gènes supposés impliqués dans la biosynthèse de PI-DGD. Grâce à cette approche génétique et notamment via la construction de souches mutantes de P. furiosus, une inhibition partielle de la biosynthèse du lipide majoritaire PGlc-DGD a été obtenue. Cela a permis d'identifier cinq tétraéthers portant des têtes polaires héxoses et/ou N-acétylées. Une nouvelle structure lipidique, hexaéther, a également été identifiée, combinant des chaines diéthers et tétraéthers. Le répertoire lipidique de P. furiosus comprend désormais 7 diéthers et 11 tétraéthers. En tenant compte des degrés d'insaturation, du nombre de cycles et de la diversité des têtes polaires, plus de 300 structures lipidiques sont potentiellement synthétisées, décrivant une complexité lipidique proche des Eucaryotes. Afin d'évaluer la pertinence biologique de cette diversité lipidique, des expériences in vivo et in vitro ont été réalisées. Face à une baisse de température ou à une augmentation de la salinité, P. furiosus remodèle les chaînes isoprénoïdes et les têtes polaires de ses lipides membranaires. Des ajustements du nombre de cycles dans les tétraéthers et du taux d'insaturation des diéthers ont été observés. Fait notable, la proportion de diéthers reste constante à 10 %, indépendamment des conditions, un comportement original parmi les Thermococcales. Pour en explorer la fonction, des membranes ont été reconstruites avec des proportions variables de diéthers et tétraéthers. L'analyse par diffraction de neutrons a révélé que les membranes mixtes présentent une stabilité supérieure à celles constituées d'un seul type de lipide, illustrant la complémentarité fonctionnelle entre les chaînes flexibles des diéthers et les structures rigides des tétraéthers. Au-delà de la structure des chaînes isoprénoïdes, les têtes polaires jouent également un rôle crucial dans le comportement membranaire. L'acétylation des hexoses favorise la stabilité membranaire, tandis que des modifications de la composition en hexose modulent les propriétés membranaires, probablement via des variations de leur capacité à former des liaisons hydrogène. Ces observations suggèrent que la nature des têtes polaires est un facteur clé, mais encore sous-estimé, de l'adaptation membranaire chez les Archées. En conclusion, cette thèse met en lumière le rôle central de la diversité lipidique dans l'adaptation et la stabilité des membranes archéennes. Elle souligne l'importance des têtes polaires dans l'organisation et la résilience membranaire, et fournit un cadre solide pour de futures recherches biochimiques, biophysiques et biotechnologiques, notamment dans le développement de membranes bio-inspirées pour la biologie de synthèse.