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Forschungsschwerpunkte (ÖPB bis 2009)
der Abteilung Ökologische und Pflanzen-Biochemie
Détoxication intracellulaire des métaux lourds chez les plantes et champignons par des petides et protéines thiolées
La recherche effectuée au département de biochimie écologique et végétale est axée sur l’étude de l'interaction des végétaux et des champignons avec leur environnement biotique et abiotique, en se concentrant tout particulièrement sur les systèmes aquatiques.
Dans ce contexte, des études de biochimie et de biologie moléculaire entreprises sur des systèmes modèles peuvent aider à comprendre des situations de stress ayant un intérêt écologique, comme par exemple les stress causés par les métaux lourds et les composés organiques. Les résultats de telles études sont primordiaux pour l’estimation et la caractérisation dans des environnements sensibles des composés xénobiotiques potentiellement toxiques. De plus, l’emploi de techniques de bioanalytique de haute résolution permet aussi de décrire la réponse au stress à l’intérieur des organismes ainsi que de détecter les métabolites issus de ces facteurs de stress.
Quelques organismes sont adaptés à la vie dans les environnements fortement pollués par les métaux lourds (comme par exemple l'ancienne région minière d'ardoise de cuivre du « Mansfelder Land » en Allemagne centrale). Ces adaptations se font parfois seulement grâce à une régulation stricte de l’homéostasie cellulaire des métaux lourds, laquelle inclue la biosynthèse de substances chélatant ces métaux, leur compartimentation sous-cellulaire ainsi qu’un métabolisme rigoureusement régulé.
Chez les végétaux et les champignons, les métaux lourds induisent la biosynthèse enzymatique de peptides thiols chélatant (ex : phytochélatines, glutathion). Les études de la réponse au stress chez des mousses, servant d’organismes modèles pour les plantes, sont effectuées au niveau d’une seule cellule par extraction capillaire et microdissection à capture au laser. Dans ce domaine, nos recherches ont mis en évidence un effet unique des métaux lourds chez ces organismes: une augmentation du pool de glutathion chez les mousses, ce qui contraste avec les résultats jusqu’alors connus chez les plantes supérieures chez qui les métaux lourds conduisent normalement à une diminution du pool de glutathion et à une augmentation de la synthèse des phytochélatines.
En utilisant la microscopie électronique de trame sur des cellules de la mousse aquatique Fontalinalis antipyretica, nous sommes capable de mettre en évidence des complexes cytoplasmiques Cd-(bis)glutathionate.
Afin d’élargir et d’approfondir notre recherche, en particulier sur la régulation de la réduction assimilatoire du sulfate due au stress causé par les métaux lourds, nous avons établies des méthodes de biologie moléculaire nous permettant l’étude de cultures stériles emersées et submersées des mousses Physcomitrella patens, Marchantia polymorpha ainsi que de l'algue verte Chlamydomonas reinhardii. Alors que sous influence de cadmium C. reinhardii synthétise des quantités plus importantes de phytochélatines, aucune phytochélatine ne peut être détectées chez P. patens. De plus, les génomes de C. reinhardii et de P. patens étant presque entièrement séquencés, nous sommes capables de générer des bases de données EST (Expressed Sequence Tag) pour toute enzyme impliquée dans la réduction assimilatoire du sulfate ainsi que pour toute enzyme en relation avec la synthèse de peptides thiolés.
Les hyphomycetes aquatiques représentent un maillon crucial de la chaîne alimentaire microbienne. Des souches de ces champignons ont été isolées pour la première fois dans des eaux de surface de l’ancienne région minière d’ardoise de cuivre du Mansfelder Land (Allemagne centrale) qui sont extrêmement polluées par des métaux lourds. Ces souches sont employées pour l’étude des mécanismes de tolérance chez des organismes « complexes » et adaptées à leur milieu. Par exemples, l’étude de deux souches de l’ascomycete Heliscus lugdunensis a montré des différences physiologiques et biochimiques dans leur tolérance aux métaux lourds indiquant que ces souches représentent certainement deux écotypes. Les réponses observées chez ces deux souches à un stress induit par le Cadmium sont par exemple une augmentation du contenu cellulaire en glutathion ainsi qu’une induction de la synthèse des peptides additionnels thiolés. D’autres méthodes analytiques comme la chromatographie liquide à haute performance (CLHP), la spectrométrie de masse avec ionisation par électronébulisation (ou électrospray), la détermination de la séquence primaire des protéines par la dégradation d’Edman, ont confirmé la synthèse et d'une nouvelle metallothioneine de petite masse ainsi que la synthèse de phytochelatine de type 2, qui font maintenant au laboratoire l’objet d’études plus approfondies.
1. Thématique : Stress de métal lourd dans les mousses et les algues
- Sorption biologique et accumulation biologique des métaux lourds
- État glutathion et désintoxication de métal lourd
- Compartimentation intracellulaire de cadmium, du cuivre et du zinc
- Preuve des chelatisation de métal lourd par glutation in-vivo
- Biologique moléculaire des enzymes de la réduction de sulfate
- Metallothioneines : Preuve et identification