Apolar lipids : The membrane adaptation toolbox of extremophiles
Lipides apolaires : la boîte à outils de l'adaptation membranaire des extrémophiles
Résumé
Most of Earth’s biotopes are under extreme environmental conditions, e.g. distant from the optimal life conditions for humans. Nevertheless, a large biological diversity of organisms, the extremophiles, inhabit such environments. For instance, organisms living at deep-sea hydrothermal vents experience temperatures above 100°C, high concentrations of reduced metals, the absence of oxygen and high hydrostatic pressures. To date, there is no understanding of the molecular mechanisms enabling them to sustain such extreme conditions. The cell membrane is particularly sensitive to external conditions, but at the same time must maintain specific physical properties, such as fluidity and permeability, to preserve the integrity and functionality of the cell. This thesis work seeks to understand how the lipid bilayer can remain functional at high temperatures and high pressures and thus can allow life under extreme conditions. This work establishes novel membrane components, apolar lipids from the polyisoprenoid’s family, which play the role of membrane regulators and confer stability to the lipid bilayer, along with dynamism and heterogeneity, which are essential properties for an optimal function of the membrane. Apolar lipids are localized in the midplane of the lipid bilayer and adjust membrane curvature and permeability. Because of such specific localization, apolar lipids reduce proton membrane permeability at high hydrostatic pressures. They establish functional domains with differentiated functions that could favour the insertion of specific membrane proteins and hence could enable essential cell functions that require highly curved membrane domains, such as fusion and fission. All these results demonstrate experimentally a novel cell membrane architecture for extremophiles in which the presence and the quantity of polyisoprenoids play a key role in cell membrane adaptation and constitute a novel adaptation route to extreme conditions applicable to the origin of life.
La majorité des biotopes terrestres se trouve sous des conditions environnementales dites extrêmes, c'est-à-dire éloignées des conditions optimales de vie des humains. Néanmoins, une grande variété biologique d’organismes biologiques y habite, i.e. les extrémophiles. Par exemple, il existe des organismes vivants adaptés aux conditions des sources hydrothermales de l'océan profond: températures supérieures à 100°C, fortes concentrations en métaux réduits, absence d'oxygène, hautes pressions hydrostatiques, sans que l'on comprenne les mécanismes moléculaires leur permettant de résister à de telles conditions. La membrane cellulaire est un des constituants cellulaires le plus sensible aux conditions externes, mais en même temps, elle doit maintenir des caractéristiques physicochimiques très spécifiques, en terme de rigidité et de perméabilité, pour rester fonctionnelle. Ce travail de thèse cherche à comprendre comment la bicouche lipidique peut demeurer fonctionnelle sous hautes températures et hautes pressions, et permettre la vie en conditions extrêmes. Ce travail identifie de nouveau constituants de la membrane, les lipides apolaires de type polyisoprènes, qui jouent le rôle de régulateurs membranaires, et confèrent à la bicouche lipidique la stabilité, mais aussi le dynamisme et l'hétérogénéité, indispensables pour une fonctionnalité optimale de la membrane. Ces lipides apolaires se placent au centre de la bicouche lipidique et modifient la courbure et la perméabilité de la membrane. En raison de leur emplacement, ils diminuent la perméabilité aux protons sous hautes pressions hydrostatiques. Ils créent des îlots fonctionnels différenciés pouvant faciliter l’insertion de certaines protéines membranaires ou l’accomplissement des fonctions essentielles au cycle cellulaire comme la fusion et la fission qui requièrent une forte courbure. L'ensemble des résultats valide expérimentalement une nouvelle architecture membranaire chez les extrémophiles où la présence et la quantité de lipides apolaires jouent un rôle fondamental, et représente une voie nouvelle d'adaptation aux conditions extrêmes applicable à l'origine de la vie.
Origine : Version validée par le jury (STAR)