10. Psychrophiles et Piézophiles

Question 1

Qu’est-ce qu’un microorganisme psychrophile ?

Answer 1

• B Gram + ou Gram - , levures, archées, champignons, microalgues qui peuvent vivre à des T° en dessous du point de congélation
  
  • T° de croissance ( min/optimale/max) = < 0/15/20 °C
  • Mo qui possèdent des adaptations permettant à son métabolisme de fonctionner malgré les conditions froides
  • Vivent dans les régions polaires, alpines, lacs profonds et profondeurs océaniques.

Question 2

Quelles sont les T° de croissance (min/optimale/max) des psychrotolérants ?

Answer 2

(min/optimale/max)

> 0 />15 (20) / 30 °C.

Question 3

Quelles sont les trois raisons qui rendent la définition d’un mo psychrophiles ambigüe ?

Answer 3

1. Limite établie est arbitraire (c’était la T° des labos de recherche et non pas selon les conditions environnementales)
2. Définition ø valable pour la plupart des eucaryotes psychrophiles
3. Il y a une différence entre le taux de croissance et le taux de survie (mo viables). Une augmentation de la T° accélèrera le taux de croissance, mais peut affecter d’autres fx vitales donc le nombre de mo viables va être largement inférieur.

Question 4

Donnez la définition de 
1- piézo-psychrophiles, 
2- halo-psychrophiles, 
3- troglo-psychrophiles, 
4- poly-extrêmophiles :

Answer 4

1. piézo-psychrophiles : tolèrent forte pressions hydrostatiques des fonds marins
2. halo-psychrophiles : tolèrent la salinité de la glace marine,
3. troglo-psychrophiles : radiations, faible disponibilité en eau/nutriments ou encore ø lumière (ex: cavernes)
4. poly-extrêmophiles : capable de résister à plus d’un stress

Question 5

Vrai ou faux : Certaines b psychrophiles dans un milieu de culture riche à une T° de 4°C, peuvent atteindre un taux de doublement comparable à celui d’E. coli à 37°C.

Answer 5

Vrai

Question 6

Qu’est-ce qu’un mo piézohile ?

Answer 6

• Mo retrouvé principalement dans les fonds marins et sont également psychrophiles ou thermophiles.
  
  • Certaines adaptations spécifiques sont nécessaires pour permettre à ces mo de survivre à la pression.

Question 7

Parlez-moi de la région de McMurdo en Antartique, pourquoi est-ce un environnement psychrophiles et pourquoi cet écosystème est différents des autres milieux lentiques (caractéristiques) ?

Answer 7

• Les vallées sèches abritent des lacs dont la surface est recouverte d’une couche de glace tout au long de l’année
• C’est le couvert de glace permanant des lacs qui modifie les caractéristiques normalement retrouvées dans un milieu lentique.

1. Mélange des eaux du au vent est réduit (couvert de glace constant). Donc gradient chimique s’installe !
2. L’échange de gaz à l’interface air-eau est réduit (presque inexistant à cause du couvert e glace constant)
3. Pénétration de la lumière est moindre !!
4. Dépôt de sédiments réduit (activité mo très réduite)

Question 8

Les propriétés de la colonne d’eau de la région de McMurdo en Antartique est influencée principalement par 2 choses, lesquelles ?

Answer 8

1. Le temps de mélange de l’eau qui forme des gradients chimiques
2. Le cycle solaire inhabituel (4 mois noirceur/4 mois crépuscule /4 clarté)

Question 9

Parlez-moi du Lac Fryxell de la région de de McMurdo en Antartique :

Answer 9

• Un des plus productifs dans cette région
• O2 jusqu’à 10m de profond
• Gradient de sulfure (S2-) (de nul à l’interface air/eau à >1 mM à la surface des sédiments)
• Gradient complémentaire de sulfate (de nul à la surface des sédiments à >1,5 mM juste sous l’oxycline)
• La chimiocline dans le lac Frywell correspond à l’oxycline puisqu’elle se retrouve à l’interface entre l’eau oxygéné et non oxygéné.

Question 10

Qu’est-ce qu’une chimiocline ?

Answer 10

C’est une zone de transition entre deux compositions chimiques dans l’eau (ex: O2 vs ø O2)

Question 11

Vrai ou faux Lac Frywell :

1. Un cycle de soufre très actif est présent dans le lac Frywell.
2. Les bactéries oxydatives de soufre sont concentrées en profondeur dans la colonne d’eau (haute [ ] O2 et sulfure).
3. En plus d’un gradient de soufre, il y a un gradient de méthane qui apparait à ~12 m de profondeur dans le lac, et la [ ] augmente jusqu’à la zone benthique.

Answer 11

1. Un cycle de soufre très actif est présent dans le lac Frywell.
   - Vrai ! Bactéries pourpres photosynthétiques, b chimiautotrophes du soufre et des b réductrices des sulfates hétérotrophes sont présentes
2. Les bactéries oxydatives de soufre sont concentrées en profondeur dans la colonne d’eau (haute [ ] O2 et sulfure).
   - Vrai !
3. En plus d’un gradient de soufre, il y a un gradient de méthane qui apparait à ~12 m de profondeur dans le lac, et la [ ] augmente jusqu’à la zone benthique.
   - Vrai ! Le lac a donc des populations de mo méthanogènes et méthanotrophes ( principalement des archées)

Question 12

Quels sont les principaux défis des mo psychrophiles ?

Answer 12

• Maintenir des vitesses de fonctionnement acceptables pour les rx cellulaires, malgré le froid !
• Maintenir une flexibilité dans le froid (froid = rigide)

Question 13

Parlez-moi en général des enzymes actives dans les psychrophiles :

Answer 13

• Elles sont actives dans le froid et instables à la chaleur (labiles)
• Elles possèdent un taux catalytique 10x plus rapide que leurs homologues mésophiles
• C’est grâce à une déstabilisation du site catalytique de l’enzyme qui leur permet d’être flexible et labile.
• C’est grâce à l’absence de pression sélective pour la stabilité qu’elles ont évoluées ainsi (donc quand on augmente la T°, les enzymes deviennent trop labiles et perdent leurs fx catalytiques)

Question 14

Quelle est le principale adaptation du site actifs des enzymes psychrophiles pour les petits substrats et ce qu’elle cause:

Answer 14

Cavité catalytique plus large

	1. plus accessible pour substrat 
	2. diminution encombrement stérique
	3. Attachement du substrat à un moindre coût énergétique
	4. Relâchement et sortie plus facile du produit transformé

Question 15

Quelles sont les adaptations du site actif psychrophile pour les gros substrats et ce qu’elles causent :

Answer 15

A) Diminution des prolines et des arginines
- Augmente la flexibilité

B) Regroupement de glycine
- Diminuent l’encombrement stérique

Les changements structuraux à l’ensemble de la protéine s’appliquent principalement quand le substrat possède une taille importante et que tout la protéine doit être flexible pour accommoder ce gros substrat.

Question 16

Quelles sont les adaptations pour augmenter la fluidité membranaire chez les psychrophiles et pourquoi sont-elles importantes ?:

Answer 16

Modifier la composition lipidique de la membrane est important puisque lorsque la T° diminue la membrane perd sa perméabilité (puisqu’elle devient moins fluide).

1. Ajout de branchement méthyles :
   - Augmentation de l’encombrement stérique = déstabilisation membrane = augmente fluidité (diminue viscosité des lipides)
2. Chaines lipidiques plus courtes :
   - Réduction du contact entre les chaines voisines = augmentation fluidité membranaire
3. Production de pigments attachés aux membranes:
   - Dans les replis nommés thylacoïdes (ex : caroténoïdes chez les b pigmentées) = augmentation fluidité membrane
   - Pourrait aussi être en captant l’É solaire et en la transformant en E thermique = réchauffement local de la membrane

Question 17

La transcription et la traductions sont sensibles à la baisse de T°, quelles sont les adaptations que les mo psychrophiles ont fait à ce niveau en sachant que le froid solidifie les liens de la double hélice d’ADN et complique l’accès de l’ARM pol au Nt?

Answer 17

1. Présence de protéines qui aident à la réalisation de la traduction et transcription chez les archées
   - Hélicase de l’ARN qui enlève les structures secondaires de l’ARNM
2. Présence de protéines d’acclimatation au froid
   - ~ 20 protéines qui sont synthétisées lors de la croissance active à de basses T°.
   - Elles serviraient de chaperonnes pour prévenir la formation de structures secondaires dans les ARNm pour faciliter la traduction

Question 18

Parlez-moi des eucaryotes et de leurs adaptations au froid.

Answer 18

• Présence de protéines antigel (peptides et glycoprotéines) . Elles diminuent la formation des cristaux de glace en s’y liant donc ça empêche les blessures faites aux membranes.
• Utilisation de glycérol pour diminuer la sortie d’eau causées par la formation des cristaux de glace

Question 19

Quelles sont les avantages reliées à l’utilisation d’enzymes psychrophiles ?

Answer 19

• Utilisation de substrat instable plus facile
  
  • Moins d’É nécessaire pour effectuer les rx = coût moindre de production
  • Arrêt de rx plus facile (augmentation de la T°)

Question 20

Donnez des exemples d’utilisation d’enzyme psychrophiles :

Answer 20

• Alpha-amylase : détergents, textiles
  
  • Cellulases: textile et industrie de pâtes et papier
  • ß-galactosidase: lait sans lactose
  • Lipases : détergent et arômes
  • Protéases : détergents et attendrisseurs de viande

Question 21

Donnez un exemple d’utilisation d’enzymes psychrophiles qui offre une activité catabolique élevée à de basse T° mais qui offre aussi des bénéfices (ex: économies dans l’industries):

Answer 21

1. Peeling: Retrait de poil sur le cuir se fait à l’aide de protéases adaptées au froid donc peut se faire directement avec l’eau du robinet (pas besoin d’eau chaude 37°C.
2. Détergents à lessive: les enzymes psychrophiles permettent de déloger des tâches tout en préservant les vêtements et en économisant l’É.
3. Agroalimentaire utilisation de ß-galactosidase : permet de dégrader le lactose pendant l’entreposage à 4°C ce qui est favorable pour un produit comme le lait qui tolère mal d’être chauffé.

Question 22

Vrai ou faux psychrophiles:

1. Les acides gras polyinsaturés des membranes peuvent servir de suppléments alimentaires pour les humains et les animaux:
2. On peut se servir de certaines protéines de mo psychrophiles dans la production de la neige artificielle
3. Certaines protéines antigels eucaryotes peuvent servir de cryoprotecteurs pour des produits dont la congélation pourrait affecter la texture.

Answer 22

1. Les acides gras polyinsaturés des membranes peuvent servir de suppléments alimentaires pour les humains et les animaux:
   - Vrai
2. On peut se servir de certaines protéines de mo psychrophiles dans la production de la neige artificielle
   - Vrai, les protéines capable d’initier la nucléaion de l’eau
3. Certaines protéines antigels eucaryotes peuvent servir de cryoprotecteurs pour des produits dont la congélation pourrait affecter la texture.
   - Vrai

Question 23

Qu’est-ce qu’un mo piézophile :

Answer 23

• Mo qui supportent ou ont de besoin d’une haute pression hydrostatique pour vivre.
• Vivent dans la biosphère profonde (habitats continentaux, océaniques, sous-océanique)
• Toujours à plus de 100 atm (10 Mpa)
• Ils peuvent tolérer jusqu’à 130-150 Mpa
• La pression favorise leur fonction, si pression diminue = ils seront trop slack pour fonctionner.

Question 24

Quelle effet la pression a sur les acides nucléiques des piézophiles ?

Answer 24

• Pression stabilise les ponts H de l’ADN = l’ADN est plus résistant et il devient plus dur de faire la transition db vers sb pour la réplication, la transcription et la traduction.
• Phénomène qui s’apparente au psychrophiles

Question 25

Quelle effet la pression a sur la membrane des piézophiles ?

Answer 25

• Très fragile à la pression hydrostatique
• Les lipides changent leur conformation et leur état de compression ( s’adaptent à un volume restreint)
• La bicouche lipidique perd sa fluidité = devient imperméable à l’eau/autres molécules, donc les interactions entre les prot et les lipides essentielles au bon fonctionnement de la membrane sont affaiblies.
• Même adaptations que pour les psychrophiles puisque les 2 stress provoque la même chose (rigidité membranaire)

Question 26

Quelle effet la pression a sur les protéines des piézophiles ?

Answer 26

• Protéines multimériques sont sensibles à la pression, elles vont s’adapter en changeant de conformation pour limiter leur volume.
• Les protéines ne sont pas rendues inactives, mais l’association intermoléculaire, la stabilité des protéines ainsi que leurs sites catalytiques sont affectés.

Question 27

Vrai ou faux piézophiles:

Answer 27

1. Les mo piézophiles soumis à la pression en plus de perdre l’usage de leur flagelle et donc devenir non motiles, peuvent devenirs incapables de synthétiser leurs protéines et leu acides nucléiques.
   - Vrai !

Question 28

Quels sont les 3 mécanismes principaux qui ont été proposés pour expliques la capacité de croître dans des milieux ou la pression hydrostatique est forte chez les piézophiles, expliquez-les.

Answer 28

1. Une régulation fine de l’expression génique
   - Permet de compenser la perte d’activité biologique en augmentant la [ ] d’enzymes via régulation génique.
   - Augmentation synthèse d’acides gras insaturés = augmentation fluidité
   - Augmentation synthèse de protéines chaperonnes = aident à maintenir la conformation protéique (donc aident à leur fonctionnement)
2. Expression de gènes spécifiquement adaptés pour les hautes pressions hydrostatiques
   - Shewanella : modifie les composantes de sa chaîne respiratoire e fx de la pression
   - Photobacterium profundum: Expression de porine OmpH uniquement à des pression supérieures à 28 Mpa. Elle est un transporteur de nutriments qui sont limités dans l’environnement.
3. Adaptation des biomolécules pour les rendre piézophiles ou piézotolérantes
   - Les ribosomes ne fonctionnent théoriquement pas à de fortes pression. Compenser en augmentant la production des molécules à partir du génome. Donc il faut faire des adaptations structurales comme les extensions de séquence de la sous-unité 16S du ribosome. Ces extensions pourraient jouer un rôle dans la stabilisation de la structure du ribosome sous haute pression.

Question 29

Pourquoi les utilisations biotechnologiques des piézophiles sont limitées ?

Answer 29

• Difficulté à faire croître les mo et donc de mener des études sur leurs protéines.
• Certaines compagnies offrent mainteant la stérilisation d’aliments de consomamtion à de tràs forte pression