Les cyanobactéries, comme les plantes, effectuent la photosynthèse en utilisant la lumière et l'eau pour la réduction du gaz carbonique de l'air. Ce processus s'accompagne d'une production d'oxygène. Douées de capacités d'adaptation à des environnements, même extrêmes, les cyanobactéries colonisent la plupart des écosystèmes aquatiques et terrestres. Certaines d'entre elles produisent des hépatotoxines et des neurotoxines mortelles pour l'Homme et les animaux. Les activités de recherches de l'Unité sont centrées sur le développement et la valorisation de la collection de cyanobactéries (PCC), en particulier les souches potentiellement toxiques, et sur l'étude des mécanismes moléculaires de l'adaptation de ces micro-organismes à des changements de paramètres environnementaux.

Notre unité possède une collection de cyanobactéries, unique au monde par le nombre de souches en cultures pures, ainsi que par la diversité de leur origine géographique et de leurs propriétés.

Les missions de la PCC sont multiples :

• Conservation des ressources biologiques (plus de 740 souches pures) ;

• Activité de conseil et distribution des souches à des laboratoires de recherche et des industriels dans le monde entier, ainsi que pour l'enseignement ; le nombre de souches demandées en l'an 2001 a été de plus de 250 ;

• Isolement, purification et identification des souches par une approche polyphasique ; au cours de l'année 2001, de nouvelles souches appartenant aux genres Merismopedia, Coelosphaerium, Microcystis, Oscillatoria et Planktothrix ont été introduites dans la PCC ;

• Activités de valorisation par la recherche et la caractérisation de composés bio-actifs dont des toxines ; un programme de recherche transversal (PTR) intitulé "Neurotoxins and related compounds ", coordonné par M. Herdman, est en cours (collaborations avec H-O Nghiem de l'Unité des Récepteurs et cognition, B. Baron de l'Unité de l'Expression des gènes eucaryotes et O. Barzu du Laboratoire de Chimie structurale des macromolécules) ; une collaboration a été également établie avec V. Bultel du Laboratoire de Chimie des Substances Naturelles du Museum National d'Histoire Naturelle ;

• Développement d'outils moléculaires pour la détection, l'identification et le suivi des cyanobactéries en culture et dans l'environnement ; dans le cadre du programme "Environnement-Santé" (1999-2001), un test dit de "capture en plaque" a été mis au point pour certaines souches potentiellement toxiques, cet outil, en cours de validation, vient compléter les techniques d'hybridation in situ et de génotypage établis précédemment.

Une activité d'expertise est en place pour l'identification et le dosage des hépatotoxines dans des prélèvements d'eaux de surface (Collaboration avec J.M. Delattre, Département Eaux et Environnement, IP-Lille).

Plusieurs bases de données sont en évolution constante :

• Un catalogue des cyanobactéries de la PCC est accessible sur le Web, via le serveur de l'Institut Pasteur (http://www.pasteur.fr/recherche/banques/PCC/) ;

• La base de données CYANOBANK contient les propriétés de 612 souches de la PCC et 610 photomicrographies ;

• La base de données des ARNr 16S, représentative de la biodiversité des cyanobactéries, contient plus de 630 séquences alignées, celle des ARN 16S bactériens en comprend 13000 ; une base de données des ARNr 23S vient d'être commencée, cette nouvelle base comprend 19 séquences complètes ;

• La base de données des ITS contient 138 séquences alignées et 344 entrées concernant leur nombre et leur taille ; le développement de cette base, qui permettra une identification rapide des souches, est un outil essentiel pour le contrôle qualité.

Un contrat européen COBRA "The Conservation of a vital European scientific and Biotechnological resource: microalgae and cyanobacteria" financé par le programme "Quality of Life" a commencé fin 2001. Les objectifs sont de développer des méthodes de cryoconservation des souches et de développer des outils moléculaires pour le contrôle-qualité des souches de la PCC avant leur distribution.

Une seconde édition du Bergey's Manual of Systematic Bacteriology est parue en 2001 dans lequel la systématique des cyanobactéries est largement basée sur les travaux de notre équipe sur les souches de la PCC.

La lumière et les nutriments interviennent dans de multiples circuits de régulation du métabolisme chez les cyanobactéries et peuvent, chez certaines souches appartenant au genre Calothrix, conduire à la différenciation de cellules spécialisées dans la fixation de l'azote moléculaire (hétérocystes), à celle de minifilaments mobiles (hormogonies), et/ou à un changement de la composition en pigments (adaptation chromatique complémentaire).

Les deux phytochromes, CphA et CphB, histidines kinases régulées par la lumière, qui interviennent dans une étape précoce de la transmission du signal lumineux par un mécanisme de phosphorylation/déphosphorylation des régulateurs de réponse RcpA et RcpB, ont été caractérisés génétiquement chez Calothrix PCC 7601. L'apoprotéine CphA porte un chromophore lié de manière covalente alors qu'il s'agit d'une liaison non covalente dans le cas de CphB. Aucun "cross talk" n'a été détecté entre CphA-RcpA et CphB-RcpB suggérant que ces couples sont spécifiques. D'après des études faites à l'aide de la technique du double hybride bactérien, la protéine RcpA forme des homodimères. La structure tridimensionnelle a été établie pour RcpA et RcpB. Les propriétés biochimiques et spectrales de divers mutants sont en cours d'étude pour élucider les relations structure-fonction de ces quatre protéines (collaborations avec W. Gärtner, Max Planck Institute, Mülheim der Ruhr, Allemagne ainsi que T. Hübschmann et T. Börner, Humboldt University, Berlin, Allemagne, et avec D. Ladant et G. Karimova, Unité de Biochimie Cellulaire, IP).

Bien que la structure primaire de la protéine PII (GlnB) soit très conservée chez les procaryotes et les plantes, sa fonction diffère selon les organismes étudiés. Afin de mieux comprendre le rôle de cette protéine dans le métabolisme cellulaire, nous l'étudions chez différentes cyanobactéries. Chez les souches Synechococcus PCC 7942, photoautotrophe obligatoire et Synechocystis PCC 6803, hétérotrophe facultative, l'entrée des ions nitrate/nitrite est bloquée par PII sous sa forme non phosphorylée. Cette inhibition est levée lorsque PII est liée à du 2-oxoglutarate et phosphorylée, i.e. en présence d'une forte concentration en carbone et d'une faible concentration en azote. Chez Synechocystis, cette forme modifiée de PII inhibe également le transport à haute affinité pour l'entrée des ions bicarbonate. Le niveau de phosphorylation de PII chez Synechococcus et Synechocystis dépend également du potentiel redox intracellulaire et donc de l'activité photosynthétique de la cellule (collaboration avec S. Bédu et R. Jeanjean, LCB-CNRS, Marseille). Ce système de contrôle permet d'équilibrer les rapports N/C dans la cellule en fonction des changements de lumière, et de nutrition azotée et carbonée dans l'environnement.

Dans le cadre d'un programme européen (PROMOLEC "Prochlorococcus molecular ecology", programme MAAST III, 1998-2001), certaines caractéristiques de Prochlorococcus marinus PCC 9511, cyanobactérie marine atypique très abondante dans les océans oligotrophiques, tropicaux et subtropicaux, ont été étudiées. Parmi les cyanobactéries, cette souche a la plus petite taille cellulaire (diamètre 0.5-0.6 mm), le plus petit génome (1,67 Mb) et le plus faible contenu en G+C (31 %). Ses antennes photosynthétiques sont constituées de complexes protéiques contenant des divinyl-chlorophylles a et b et elle ne possède pas de phycobiliprotéines. Chez P. marinus, la protéine PII est de type cyanobactérien. Cependant, elle demeure non modifiée quelles que soient les conditions testées, bien que ses structures primaire et quaternaire soient très conservées (collaborations avec S. Loiseaux-De Goër, CNRS, Roscoff, et A. Blondel, Unité de Biochimie Cellulaire, IP). Nous avons montré que cette cyanobactérie ne possède pas l'information génétique requise pour assimiler les ions nitrate ou nitrite, mais que PII, même en l'absence de phosphorylation post-traductionnelle, pourrait contrôler l'assimilation des ions bicarbonate selon la concentration intracellulaire en 2-oxoglutarate (collaboration avec S. Bédu, LCB-CNRS, Marseille).

Des analyses in silico de la séquence du génome de Synechocystis PCC 6803 ont permis de mettre en évidence des motifs répétés dont les fonctions sont à déterminer (collaborations avec M. F. Sagot, Service d'Informatique Scientifique, IP, et H. Geiselmann, Université J. Fourier, Grenoble).

Une base de donnée du génome de Synechocystis PCC 6803, intitulée "CyanoList", a été créée sur le modèle de "SubtiList" (collaboration avec I. Moszer, Unité de Génétique des Génomes Bactériens, IP).

Notre équipe participe au projet de séquençage du génome de Prochlorococcus marinus SS120 (collaboration avec le Génoscope d'Evry).

Légende de la photo :

Hybridations in situ (FISH) de cyanobactéries potentiellement hépatotoxiques du genre Microcystis (en vert) et d'organismes eucaryotes (amibes ; en rouge) à partir d'un prélèvement d'eau. Détection à l'aide de deux fluorochromes différents couplés à la tyramide et observation en microscopie confocale (W. Shönhuber et M. Herdman).

LEFEBVRE Jacqueline (jlefebvr@pasteur.fr)

RIPPKA-HERDMAN Rosmarie, IP (Chargée de Recherche, rrippka@pasteur.fr)

WU Tianfu, Chercheur Postdoctoral

LAURENT Thierry, IP (Technicien de Laboratoire, tlaurent@pasteur.fr)