Metabolism imaging at the single-cell level in the freshwater microalga Chlamydomonas reinhardtii

Imagerie du métabolisme de la microalgue d'eau douce Chlamydomonas reinhardtii à l'échelle de la cellule unique Les microalgues sont d'excellentes candidates pour le développement de procédés de bioremédiation pour la captation de polluants ou la gestion de milieux aquatiques eutrophiques. Cependant, les mécanismes de captation et de stockage de polluants chez les microalgues demeurent incertains. Ces lacunes limitent la conception de bioprocédés de remédiation efficaces. Ainsi, la communauté scientifique cherche à construire des plateformes d'observation multi-analyte afin de mieux caractériser les mécanismes à l'œuvre, notamment à l'échelle de la cellule unique. Dans ce but, un nanosenseur optique pour l'oxygène a été développé. En effet, l'oxygène est un analyte central, impliqué à la fois dans la respiration et la photosynthèse, les deux principales voies de production d'énergie chez les espèces photosynthétiques. L'oxygène peut donc être utilisé comme rapporteur de l'état physiologique d'une cellule photosynthétique. Ce nanosenseur est constitué d'un complexe de platine phosphorescent encapsulé dans une matrice polymère. Le temps de vie de luminescence de ce senseur évolue quantitativement avec la concentration locale en oxygène. Afin d'accéder à ce temps de vie, un protocole d'imagerie de cinétiques de luminescence, RIOM, a été développé. Ce protocole permet de mesurer des évolutions de l'ordre de la microseconde avec des caméras standards fonctionnant avec des temps d'acquisition de plusieurs centaines de millisecondes.Combiné à RIOM, le nanosenseur d'oxygène a été utilisé pour imager la distribution spatiale d'oxygène générée par une cellule de la microalgue Chlamydomonas reinhardtii sous illumination. L'analyse de cette distribution d'oxygène dans un modèle de réaction-diffusion a permis de quantifier des flux d'oxygène à l'échelle de la cellule unique. L'interaction entre le nanosenseur d'oxygène et les cellules de Chlamydomonas reinhardtii a été caractérisée par imagerie cryo-XRF nanométrique (Nano-XRF). Les récentes améliorations techniques des installations synchrotron ont permis d'identifier des objets constitués d'un millier d'atomes de platine, correspondant à la caractérisation chimique d'un nanosenseur, attachés à la surface des cellules. Dépassant le cadre de la détection d'analytes, ces résultats complètent des observations plus générales sur l'interaction entre microalgues et nanoparticules.Les cartographies élémentaires nano-XRF acquises se sont distinguées par leur haute résolution et sensibilité. Les échantillons ont bénéficié d'un protocole de cryofixation automatisé permettant une excellente préservation des structures cellulaires. Ainsi, des compartiments et organelles ont pu être identifiés, sans marquage, simplement par leur contenu en métaux traces. L'analyse de la distribution élémentaire dans les cellules semble indiquer une homéostasie métallique contrôlée, dépendant du stade de la cellule dans le cycle de division cellulaire. Ces résultats ouvrent la voie à l'analyse de procédés métaboliques par le prisme des flux et des concentrations élémentaires. Ainsi, ce travail de thèse détaille une approche transdisciplinaire des enjeux autour de la détection d'analytes à l'échelle de la cellule et propose une vision de la contribution de l'imagerie dans l'analyse des procédés métaboliques.