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1, 2, 3 Soleil ou la merveilleuse histoire d’un système innovant de production de lipides d’intérêt chez la levure

L’expression d’une protéine de plante chez une levure induit une suraccumulation de lipides. Dans le cadre d’un partenariat avec le Synchrotron Soleil, les chercheurs de l’Inra Versailles-Grignon en ont exploré plus avant les mécanismes dans la perspective d’utiliser ces microorganismes pour produire des lipides d’intérêt dans les secteurs de l’énergie, la nutrition, la santé ou encore la chimie du carbone renouvelable.

Images prises en microscopie optique (lumière visible et épifluorescence) de cellules de levure de boulangerie, Saccharomyces cerevisiae. Ces cellules expriment en quantités variables deux protéines, la caléosine fusionnée à la protéine fluorescente verte GFP (Green Fluorescent Protein)  et une protéine du corps lipidique (Erg6p) fusionnée à la protéine fluorescente rouge RFP (Red Fluorescent Protein). © Marine Froissard
Par Catherine Foucaud-Scheunemann
Mis à jour le 24/02/2014
Publié le 10/12/2013

Dans le contexte économique et écologique actuel, la réduction de l'utilisation des produits issus du pétrole conduit à se tourner vers des matières premières durables et biosourcées. Les lipides sont des molécules clés pour la production d’agrocarburants et de produits issus de la chimie verte. S’ils proviennent essentiellement des huiles végétales (colza, tournesol…), leur élaboration par des microorganismes (levures, algues ou bactéries) est en plein essor. 

Une équipe de l’Inra Versailles-Grignon a optimisé la production de ces molécules d'intérêt chez la levure de boulangerie, Saccharomyces cerevisiae, en mettant à profit des connaissances acquises sur le stockage des lipides chez les plantes. Elle a combiné des approches d'ingénierie métabolique et de génie génétique pour en analyser les mécanismes dans le cadre d’une collaboration avec le Synchrotron Soleil.

Des levures qui carburent

Chez la plante modèle Arabidopsis thaliana, les chercheurs se sont intéressés aux protéines associées aux structures de réserve des lipides, encore appelées corps lipidiques, de la graine. Au quotidien, ces protéines et parmi elles, les caléosines et les oléosines, participent à la stabilisation des corps lipidiques.

Les scientifiques ont d’abord utilisé ces protéines pour faire produire des lipides à un microorganisme, la levure de boulangerie. En faisant exprimer la caléosine Clo1 ou l’oléosine S3 chez S. cerevisiae, ils ont observé un accroissement du nombre et du diamètre des corps lipidiques de la levure. Ces modifications morphologiques se traduisent par une augmentation, pouvant aller jusqu’à 74 %, de la teneur en acides gras de la cellule, par comparaison avec une souche de levure non modifiée.

Première mondiale, la structure des oléosines dans les corps lipidiques dévoilée

Les chercheurs ont étudié plus avant la structure et la fonction de ces protéines. Ils ont exploité les possibilités technologiques de la lumière synchrotron pour explorer la structure de l’oléosine S3 dans des cellules de levure exprimant cette protéine. Ils ont mis en évidence qu’au sein des corps lipidiques, l’oléosine S3 est essentiellement disposée en feuillets β. Une découverte jusque-là inédite qui a permis de proposer un modèle de repliement des oléosines dans leur environnement biologique.

Lipides ou glucides, il faut choisir

Toujours à l’aide de la lumière synchrotron, les chercheurs ont ensuite étudié la dynamique de stockage des lipides. Ils ont observé que, dans la cellule de levure exprimant la caléosine Clo1 ou l'oléosine S3, une augmentation de la teneur en lipides induit d'importantes modifications métaboliques. En particulier, ils ont mis en évidence une corrélation inverse entre teneur en lipides et teneur en glycogène, un composé glucidique de réserve. Des résultats de première importance puisqu’ils suggèrent que la cellule régule ses pools de carbone et que les voies du métabolisme du carbone et les mécanismes de régulations associés sont des cibles intéressantes pour aller vers l'obtention à des fins biotechnologiques de levures performantes.

 

L’ensemble de ces travaux a bénéficié de financements de l' Inra (Département scientifique Cepia - Crédits incitatifs), de l’Agence nationale pour la recherche (projets LipicAero, Sopol et ProBio3), de la Direction générale de l’armement (projet Caer) et du Synchrotron Soleil. 

En savoir plus

Jamme F. et al. 2013. Single Cell Synchrotron FT-IR Microspectroscopy Reveals a Link between Neutral Lipid and Storage Carbohydrate Fluxes in S. cerevisiae. PLoS ONE 8(9): e74421. doi:10.1371/journal.pone.0074421

Vindigni J. D. et al. 2013. Fold of an oleosin targeted to cellular oil bodies. BBA-Biomembranes 1828: 1881. 

Froissard M. et al. 2009. Heterologous expression of AtClo1, a plant oil body protein, induces lipid accumulation in yeast. FEMS Yeast Res. 9: 428.

L'Inra et le Synchrotron Soleil, une collaboration fructueuse

Le Centre de rayonnement Synchrotron Soleil produit une lumière 10 000 fois plus brillante que la lumière solaire, émise de l’infrarouge lointain aux rayons X durs, dans le but d’explorer la matière.

Complémentaire d’autres dispositifs d’exploration, Soleil offre un panel très large de techniques spécifiques dont les lignes de lumière Disco et Smis.

Disco couvre un domaine allant du visible au VUV permettant des spectroscopies d’absorption, de dichroïsme circulaire et linéaire, de fluorescence et de photoionisation. Elle est dédiée à la biochimie, la chimie et la biologie cellulaire. Smis fournit une source de lumière de haute brillance qui est couplée à un microscope infrarouge. Cette ligne est affectée à l’étude microscopique de composés variés, e.g. matériaux d'intérêt biologique, biomédical ou encore archéologique.

Ces deux lignes ont très largement contribué à faire progresser les travaux des chercheurs de l’Inra Versailles-Grignon. La variété des possibilités d’analyse associée à la mise au point de nouveaux modes de préparation des échantillons leur ont ainsi permis d’explorer, à différentes échelles - de taille ou de temps -  et dans différents environnements, les voies de production de lipides chez les levures.

Des techniques de pointe qu’utilisent également d’autres équipes Inra en région.