Soutenance de thèse de Matthieu Amor - 9 juin 2015 à 14 h

Amphithéâtre de l'Institut de Physique du Globe de Paris, 1 rue Jussieu, Paris

Signatures chimiques et isotopiques de la magnétite des bactéries magnétotactiques

Résumé

Les bactéries magnétotactiques représentent l’unique cas identifié de biominéralisation contrôlée de la magnétite chez les procaryotes. Elles possèdent la capacité de former des nanoparticules de magnétite intracellulaires, de façon génétiquement contrôlée. Bien que ces bactéries soient ubiquistes dans les environnements actuels, il est très difficile d’identifier avec certitude leurs traces dans les formations géologiques anciennes. Leur identification permettrait de mieux contraindre l’évolution de la vie et des processus de biominéralisation au cours des temps géologiques. Dans cette étude, nous avons exploré les propriétés chimiques et isotopiques de la magnétite des bactéries magnétotactiques pour permettre leur identification dans le registre fossile. Les analyses chimiques et isotopiques nécessitant une masse de magnétite importante, la première étape de ce travail a consisté à améliorer le rendement de production de magnétite par Magnetospirillum magneticum AMB-1, souche modèle de bactéries magnétotactiques. La modification de la spéciation du fer, par l’ajout de composés organiques dans le milieu de culture d’AMB-1, a permis d’augmenter le rendement de production de magnétite jusqu’à un facteur 6. La pureté chimique de la magnétite produite par AMB-1, relativement à la magnétite abiotique, constitue le premier marqueur chimique de biogénicité que nous avons exploré. Le partage de 36 éléments traces entre la magnétite et le milieu de culture d’AMB-1 a été quantifié, et s’est révélé au moins cent fois plus faible que lors d’une production abiotique de magnétite pour la majorité des éléments testés. Seuls l’étain, le molybdène et le sélénium montrent une incorporation préférentielle dans la magnétite d’AMB-1, probablement liée à l’activité métabolique des bactéries. Dans un second temps, le fractionnement des isotopes du fer par AMB-1 lors de la biominéralisation de la magnétite a été caractérisé. Les bactéries incorporent le fer en favorisant ses isotopes lourds. Deux réservoirs de fer intracellulaires sont ensuite produits, correspondant à la magnétite et au fer qui n’a pas été engagé dans les réactions de précipitation de la magnétite. La magnétite est enrichie en isotopes légers, correspondant à une valeur de δ56Fe dans la magnétite inférieure de 1 à 1,5 ‰, relativement au milieu de culture. A ce jour, la biominéralisation de la magnétite par AMB-1 correspond à l’unique mécanisme identifié permettant de produire une magnétite enrichie en isotopes légers, relativement au fluide dont elle est issue. Nous proposons donc d’utiliser la pureté chimique et la composition isotopique du fer de la magnétite comme biosignatures pour l’identification des bactéries magnétotactiques fossiles.

Abstract

Magnetotactic bacteria represent the only known prokaryote organisms performing biomineralization of intracellular magnetite nanoparticles under a genetically controlled pathway. These bacteria are ubiquitous in modern natural environments. However, their identification in ancient geological materials remains challenging. Identifying magnetotactic bacteria fossils in ancient sediments remains a key point to constrain life and biomineralization evolution over geological times. To better identify such fossils, we characterized chemical and isotopic properties of magnetite produced by Magnetospirillum magneticum AMB-1 model magnetotactic bacterium. The first step was to enhance magnetite production by AMB-1 in order to produce enough magnetite for chemical and isotopic analyses. The addition of organic compounds showing strong chemical affinity for iron in the bacterial growth medium improved magnetite biomineralization yields up to a factor of 6. The chemical purity of magnetite produced by AMB-1 is the first biosignature we tested. In that regard, partitioning of 36 trace elements between AMB-1 magnetite and growth medium was quantified. For most elements, partition coefficients were at least 100 times lower in biomineralized magnetite than in the abiotic one. Interestingly, molybdenum, selenium and tin showed preferential incorporation into AMB-1 magnetite, probably because of bacteria incorporating these three elements within the cell for metabolic purposes. Finally, iron isotope fractionation by AMB-1 during magnetite biomineralization was characterized. Bacteria revealed to preferentially incorporate heavy iron isotopes within the cell. Magnetite was then produced from partial reduction of iron accumulated within the cell. This led to magnetite crystal mineralization, which were enriched in light isotopes and displayed δ56Fe values from 1 to 1.5 ‰ lower than those of the growth medium. Magnetite biomineralization corresponds to the only identified mechanism producing magnetite enriched in light iron isotopes with regard to precipitation solution. Therefore, we propose iron isotopic composition and chemical purity of magnetite to represent two biosignatures that can be used for establishing the origin of ancient magnetite samples.

Composition du jury

David Pignol                Rapporteur
François Lacan            Rapporteur
Jean-Pierre Valet            Examinateur
Thibaud Coradin            Examinateur
Christopher Lefèvre        Examinateur
François Guyot            Directeur de thèse
Vincent Busigny            Co-directeur de thèse