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Croiser les approches technologiques pour mieux comprendre la biominéralisation

Les travaux menés par Daniel CHEVRIER au sein du BIAM dans le cadre d'une bourse post-doctorale Marie Skłodowska-Curie, ont permis de mettre au point un système complexe d'observation capable de suivre le processus chimique de transformation de la magnétite au sein d'une cellule bactérienne vivante unique. En 2020, Daniel a candidaté avec succès au concours de chargé de recherche du CNRS et mène maintenant de front, au sein du BIAM, plusieurs projets visant à élargir le champ des connaissances. En ligne de mire, des microorganismes qui pourraient jouer un rôle prépondérant dans les domaines de la dépollution ou de la santé, et dans la compréhension de l'impact de l'acidification des océans sur la fixation du CO2…

Zoom sur un jeune talent !

Publié le 2 février 2021

Newsletter du BIAM : Votre expertise au BIAM se base sur les techniques de spectroscopie aux rayons X pour dévoiler la chimie de la formation des magnétosomes. Vos recherches se sont ainsi centrées entre 2018 et 2020 sur la façon dont le fer, en solution dans un milieu liquide, est incorporé et formé en cristaux dans la cellule bactérienne. Sur quelles découvertes significatives ont abouti vos travaux ?

Daniel CHEVRIER :  J'ai pu mener mes recherches au sein de différents synchrotrons européens pour tester plusieurs approches d'observation par microscopie aux rayon X. J'ai ainsi pu identifier tout l'intérêt de l'utilisation de la microscopie de fluorescence aux rayons X pour suivre la chimie de la formation de magnétite (Fe3O4) au niveau d'une seule cellule bactérienne. C'est en effet la combinaison de l'imagerie et de la spectroscopie sur des bactéries magnétotactiques qui nous a permis d'observer le mécanisme de biominéralisation et de stockage du fer : lorsqu'elles sont cultivées dans un environnement riche en fer, elles sont capables de stocker des particules de magnétite mais aussi d'autres particules de fer. A l'inverse, si leur milieu est pauvre en fer, elles synthétisent principalement de la magnétite.

NLB : Est-ce sur la base de ces techniques d'observation et des résultats obtenus que vous avez tenté le concours du CNRS ?  

DC : Sur cette base, j'ai en effet développé un projet visant à mieux comprendre la biominéralisation de l'oxyde de fer et du carbonate de calcium (CaCO3) dans les microorganismes en utilisant une combinaison de techniques de microscopie à rayons X et de technologies d'observation basées sur la microfluidique. Cette combinaison permet d'examiner la biominéralisation au sein d'organismes vivants, préservant ainsi l'état natif de la cellule pour recueillir les informations chimiques du microorganisme au cours des processus complexes de biominéralisation.

NLB : A présent vous travaillez pour le CNRS au sein du BIAM, et en collaboration avec les universités de Pékin et de Santiago du Chili, toutes deux spécialisées dans les simulations micro-magnétiques. En quoi consistent ces collaborations et que visez-vous ?

DC : Nous visons la compréhension fine de l'interaction entre les bactéries magnétotactiques et le champ magnétique terrestre. Pour se faire, nous devons nous concentrer sur l'observation des propriétés magnétiques des chaînes de nanoparticules de magnétite minéralisées et stockées au sein des bactéries. Les modèles que nous utilisons pour les simulations proviennent de chaînes dont l'image a été obtenue à l'aide de la tomographie cryogénique à rayons X. Cette approche préserve la structure naturelle en 3D de la chaîne de nanoparticules, créant ainsi des modèles plus réalistes.

Enfin, nous travaillons au sein du BIAM sur un sujet similaire pour examiner les propriétés magnétiques et l'organisation de grandes populations de bactéries magnétiques attachées à la surface de leur hôte symbiotique, une cellule eucaryote unicellulaire, découverte récente du groupe. Pour ce projet, nous collaborons aussi avec des scientifiques de l'IMPMC* Sorbonne.

NLB : Quelles sont vos perspectives à plus long termes ?

DC : Elles sont multiples ! Dans le cadre d'une collaboration avec des scientifiques en microscopie à rayons X du synchrotron Soleil à Paris, nous cherchons à produire des images de bactéries dans un liquide avec une résolution à l'échelle de quelques nanomètres. En cas de succès, nous serons capables d'imager le processus de biominéralisation en live !

cocolite.pngCoccolithe, une microalgue dont les écailles de CaCO3 sont bien visibles


La plupart de mes approches en microscopie à rayons X ou en microfluidique sont adaptées à l'étude de la biominéralisation. Je peux ainsi travailler en parallèle sur des projets dédiés à la compréhension de la formation du CaCO3 dans le but de mieux comprendre l'impact du processus d'acidification des océans sur certaines microalgues qui produisent des coccolithes, sortes d'écailles de CaCO3. Ces recherches pourraient se révéler être un atout pour comprendre l'impact du changement climatique sur le phytoplancton, premiers maillon de la chaine alimentaire.

Plus largement, une meilleure compréhension de la chimie et de la biologie des bactéries magnétotactiques pourrait déboucher sur des utilisations visant à délivrer des médicaments sur des zones ciblées ou permettant des traitements antitumoraux de type hyperthermie. La recherche fondamentale est capitale pour répondre aux grands enjeux sociétaux.