Structural and functional studies of bacterial cellulose secretion - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Structural and functional studies of bacterial cellulose secretion

Etudes structurales et fonctionnelles de sécrétion de cellulose bactérienne

Résumé

Cellulose, the most abundant compound on the planet Earth, is an important component of plants' cell walls. The cellulose biosynthesis, however, is not limited to higher kingdoms, as bacteria also secrete cellulose as an extracellular component of their biofilm matrix. While the discovery of bacterial cellulose goes back to the 19th century, it is only a century later that a succession of structural works provided details of the widely conserved glucosyltransferase BcsA (Bacterial cellulose synthesis A), which is allosterically activated by the intracellular second messenger c-di-GMP (Bis-(3′-5′)-cyclic dimeric guanosine monophosphate). The catalytic subunit BcsA together with its co-synthetic partner BcsB, permits the polymerization and extrusion of the polysaccharide through the inner bacterial membrane. Nevertheless, various accessory subunits contribute to or are essential for synthase complex assembly and stability, as well as post-synthetic modifications and secretion of the nascent cellulose through the complex bacterial cell envelope. The E. coli (Escherichia coli) cellulose secretion machinery for instance, is characterized by nine subunits (BcsRQABZCEFG) that span from the cytosol to the extracellular space. A recent study provided mechanistic understanding of the cellulose secretion system assembly in E. coli and revealed that most of the Bcs subunits interact to form a secretory nanomachine. However, its initial low-resolution reconstruction didn’t allow to distinguish the regulatory subunits or their exact functional mechanisms, even though the interest in bacterial cellulose in the biotechnological and other fields continues to spark. To address these inadequacies, I studied the conserved E. coli-like Bcs system, structurally and biochemically. I showed that the cytosolic subunits BcsR, BcsQ, and BcsE interact to form regulatory subcomplexes. I also provided multiple crystallographic snapshots of these accessory subcomplexes, which revealed unexpected subunit stoichiometry, multisite c-di-GMP recognition, and an unexpected ATP (adenosine triphosphate)-dependent regulation. To gain further mechanistic and structural details on the assembled macrocomplex, I resorted to single particle cryo-EM (cryo-Electron Microscopy). The structural study of the macrocomplex revealed a roughly 1 MDa (Megadalton)-sized asymmetric secretory assembly. I further show that the asymmetry of the Bcs macrocomplex is due to self-driven and membrane-curvature-dependent BcsB homo-oligomerization through ß-sheet complementation in the periplasm. These findings allow to place key pieces of the puzzle of cellulose secretion system assembly and function into the bigger picture of bacterial signaling and biofilm formation.
La cellulose, le composé le plus abondant sur la planète Terre, est un composant important des parois cellulaires des plantes. La biogenèse de la cellulose, cependant, n'est pas limitée aux règnes supérieurs, car les bactéries sécrètent également de la cellulose en tant que composant extracellulaire de leur matrice de biofilm. Alors que la découverte de la cellulose bactérienne remonte au 19ème siècle, ce n'est qu'un siècle plus tard qu'une succession de travaux structuraux a fourni des détails sur la glucosyltransférase BcsA (Bacterial cellulose synthesis A) largement conservée et activée par le second messager intracellulaire c-di-GMP (di-guanosine monophosphate cyclique). La sous-unité catalytique BcsA avec son partenaire BcsB, permet la polymérisation et le passage du polysaccharide à travers la membrane interne des bactéries. Néanmoins, d’autres sous-unités accessoires contribuent ou sont essentielles à l'assemblage et à la stabilité du complexe, ainsi qu'aux modifications post-synthétiques et à la sécrétion de la cellulose naissante à travers l'enveloppe cellulaire bactérienne complexe. La machinerie de sécrétion de cellulose d'E. coli (Escherichia coli) par exemple, est caractérisée par neuf sous-unités (BcsRQABZCEFG) qui s'étendent du cytosol à l'espace extracellulaire. Une étude récente a révélé que la plupart des sous-unités Bcs chez E. coli interagissent pour former une nanomachine sécrétoire. Cependant, sa reconstruction initiale à basse résolution n'a pas permis de distinguer les sous-unités régulatrices ni leurs mécanismes fonctionnels exacts. Dans ce contexte, j'ai étudié le système Bcs de type E. coli, structurellement et biochimiquement. J'ai montré que les sous-unités cytoplasmiques BcsR, BcsQ et BcsE interagissent pour former des sous-complexes régulateurs. J'ai également fourni plusieurs structures cristallographiques de ces sous-complexes régulateurs, qui ont révélé une stoechiométrie inattendue de ces sous unités, une interaction à différents motifs du c-di-GMP et une régulation dépendante de l'ATP (adénosine triphosphate). Pour obtenir plus de détails mécanistiques du macrocomplexe dans son intégralité, j'ai eu recours à la cryo-EM (cryo-microscopie électronique) par la technique dite de « particules isolées ». L'étude structurale du macrocomplexe a révélé un macrocomplexe asymétrique d'environ 1 MDa (Megadalton). Je montre en outre que l'asymétrie du macrocomplexe Bcs est due à l'auto-oligomérisation de BcsB par complémentation des feuillets ß dans le périplasme. Ces découvertes permettent de placer les pièces clés de l'assemblage et du fonctionnement du système de sécrétion de cellulose dans un plus large contexte de signalisation bactérienne et de formation de biofilm.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03608160 , version 1 (14-03-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03608160 , version 1

Citer

Wiem Abidi. Structural and functional studies of bacterial cellulose secretion. Structural Biology [q-bio.BM]. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPASQ041⟩. ⟨tel-03608160⟩

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