Etude de l'origine et de la diversification des voies de biosynthèse des quinones respiratoires

Il y a environ 2.4 milliards d'années la Terre s'est oxygénée de manière irréversible, ce qui a constitué un changement majeur pour les organismes vivant à sa surface ayant eu alors besoin de s'adapter. Nous considérons actuellement que cet événement a eu un impact important quant à l'évolution de la bioénergétique sur Terre. Les quinones isoprénoïdes jouent un rôle majeur dans le métabolisme énergétique des organismes. Le rôle de cette famille de molécules est de transférer les électrons au sein des chaînes respiratoires et photosynthétiques. Le potentiel d'oxydo-réduction des quinones varie selon leur structure chimique et impacte notamment le type de respiration que pourra effectuer l'organisme (aérobie ou anaérobie). Les quinones les plus répandues sont la ménaquinone, présente dans de nombreuses bactéries et des archées, l'ubiquinone, présente chez les eucaryotes et un large groupe bactérien (les Pseudomonadota) et la plastoquinone, présente chez les Cyanobactéries et la lignée verte.Bien que ces molécules soient centrales à la bioénergétique cellulaire, leur origine et l'histoire évolutive de leurs voies de biosynthèse restent encore méconnues. Concernant l'ubiquinone, alors que la voie classique implique des étapes dépendantes du dioxygène, la découverte par notre équipe d'une voie indépendante de l'O2 a remis en question certaines hypothèses sur le contexte géochimique d'apparition (présence ou absence d'O2) de cette quinone cruciale pour la respiration aérobie (basée sur l'O2).Dans le cadre de cette thèse, j'ai utilisé des méthodes de phylogénétique et de génomique comparative pour annoter les voies de biosynthèse des quinones et retracer leur évolution. J'ai d'abord étudié les Pseudomonadota, un groupe bactérien largement diversifié dont le contenu en quinones était connu pour être divers. J'ai pu démontrer que les deux voies de biosynthèse de l'ubiquinone sont apparues chez l'ancêtre commun des Pseudomonadota et j'ai proposé que la voie O2-indépendante était initialement constitutive, avant de devenir un “module anaérobie”, expliquant sa faible conservation actuelle. J'ai également montré que la capacité de synthétiser la ménaquinone, favorisant la respiration anaérobie, a été plus récemment acquise par des lignées de Pseudomonadota via transfert horizontal. Cette capacité à ajuster leur métabolisme énergétique en modulant leur répertoire en quinones pourrait expliquer le succès écologique de ce groupe.De par la structure de leur noyau, l'ubiquinone et la plastoquinone appartiennent à la famille des benzoquinones, et sont principalement impliquées dans des processus aérobies. Une nouvelle benzoquinone, la méthyl-plastoquinone, a récemment été découverte chez les Nitrospirota par Félix Elling, un collaborateur Allemand. Nous avons pu caractériser partiellement la voie de biosynthèse de la méthyl-plastoquinone, grâce aux liens d'homologie existant entre les enzymes synthétisant les différentes benzoquinones et grâce à des approches expérimentales. De plus, en intégrant des génomes plus divers dans mes analyses, j'ai découvert la présence de la voie O2-indépendante de l'ubiquinone au-delà des Pseudomonadota, dans une classe de Desulfobacterota. L'ensemble de ces découvertes nous impose de reconsidérer la question de l'origine et de l'évolution des benzoquinones, notamment au regard de l'oxygénation de la Terre.Enfin, afin de constituer un inventaire des quinones expérimentalement décrites, j'ai utilisé des techniques de text-mining sur des résumés de publications décrivant de nouvelles souches bactériennes. L'apport le plus significatif de cette approche est la compilation des données sur la longueur et le degré de saturation des chaînes latérales des quinones. Cette vision à grande échelle, disponible pour la première fois, ouvre la voie à une meilleure compréhension des causes de la variabilité des chaînes latérales des quinones, un aspect difficile à prédire par des approches bio-informatiques.