Assimilation et voies biosynthétiques : astuces moléculaires et adaptation

Lorsque l’on schématise les voies métaboliques, on a tendance à oublier que certaines réactions sont irréalisables dans le contexte cellulaire en raison de la production de composés toxiques, de goulots d’étranglement thermodynamiques, voire de réactions pour lesquelles les enzymes n’ont pas encore été identifiées. Cet axe de recherche vise à comprendre les astuces moléculaires auxquelles recourent les microbes pour mener à bien les réactions complexes qui leur permettent d’assimiler les éléments fondamentaux (par exemple, le carbone, l’azote, le soufre) dont ils ont besoin pour synthétiser tous les composants cellulaires.

La voie d’assimilation du sulfate chez un méthanogène marin illustre parfaitement le succès de notre approche. Ici, grâce à une combinaison de physiologie microbienne, d’exploration du génome, d’analyses phylogénétiques, de biologie structurale, d’enzymologie et même de spectroscopie, nous avons élucidé l’ensemble de la voie d’assimilation et déterminé que les réactions éliminant les poisons que sont le sulfite (SO32-) et le 3´-phosphoadénosine 5´-phosphate sont plus rapides que leur production.

L’un de nos projets phares dans ce domaine porte sur la capacité d’assimilation de l’azote d’une archée hyperthermophile. Nous cherchons ici à comprendre la régulation des différentes voies et le fonctionnement des différents acteurs enzymatiques.

Publications sélectionnées

  • Wissink M, Engilberge S, Leão P, Jansen RS, Jetten MSM, Royant A, Welte CU, Wagner T. Mini-bacterioferritins : Structural insight into a new type of ferritin-like protein from the anaerobic methane-oxidising archaeon Candidatus Methanoperedens sp. BLZ2. Comm. Biol. Accepted. BioRxiv doi : 10.1101/2025.06.06.658376
  • Maslać N, Cadoux C, Bolte P, Murken F, Gu W, Milton RD, Wagner T. Structural comparison of (hyper-)thermophilic nitrogenase reductases from three marine Methanococcales. FEBS Journal. 2024. doi : 10.1111/febs.17148.
  • Müller M-C, Lemaire ON, Kurth JM, Welte CU, Wagner T. Differences in the regulation mechanisms of the glutamine synthetase from methanogenic archaea unveiled by structural investigations. Comm. Bio. 2024. doi : 10.1038/s42003-023-05726-w.
  • Cadoux C*, Maslać N*, Luzio LD, Ratcliff D, Gu W, Wagner T, Milton RD. The Mononuclear Metal-Binding Site of Mo-Nitrogenase Is Not Required for Activity. JACS Au. 2023. doi.org/10.1021/jacsau.3c00567
  • Jespersen M, and Wagner T. Assimilatory sulfate-reduction in the marine methanogen Methanothermococcus thermolithotrophicus. Nat Microbiol. 2023. doi.org/10.1038/s41564-023-01398-8
  • Cadoux C, Ratcliff D, Maslać N, Gu W, Tsakoumagkos I, Hoogendoorn S, Wagner T, and Milton RD. Nitrogen Fixation and Hydrogen Evolution by Sterically Encumbered Mo-Nitrogenase. JACS Au. 2023. doi.org/10.1021/jacsau.3c00165 
  • Lemaire ON, Belhamri M., Wagner T. Structural and biochemical elucidation of class I hybrid cluster protein natively extracted from a marine methanogenic archaeon. Front. Microbiol. 2023. doi.org/10.3389/fmicb.2023.1179204
  • Jespersen M, Pierik AJ, Wagner T. Structures of the sulfite detoxifying F420-dependent enzyme from Methanococcales. Nat Chem Biol. 2023. doi : 10.1038/s41589-022-01232-y.
  • Maslać N, Sidhu C, Teeling H, Wagner T. Comparative Transcriptomics Sheds Light on Remodeling of Gene Expression during Diazotrophy in the Thermophilic Methanogen Methanothermococcus thermolithotrophicus. mBio. 2022. doi : 10.1128/mbio.02443-22.
  • Lemaire ON, Müller MC, Kahnt J, Wagner T. Structural rearrangements of a dodecameric Ketol-Acid Reductoisomerase isolated from a marine thermophilic methanogen. Biomolecules. 2021. doi : 10.3390/biom11111679.
  • Müller MC, Wagner T. The Oxoglutarate Binding Site and Regulatory Mechanism Are Conserved in Ammonium Transporter Inhibitors GlnKs from Methanococcales. Int. J. Mol. Sci. 2021. doi.org/10.3390/ijms22168631.
    Wissink M, Engilberge S, Leão P, Jansen RS, Jetten MSM, Royant A, Welte CU, Wagner T. Mini-bacterioferritins : Structural insight into a new type of ferritin-like protein from the anaerobic methane-oxidising archaeon Candidatus Methanoperedens sp. BLZ2. Comm. Biol. Accepted. BioRxiv doi : 10.1101/2025.06.06.658376

Collaborations externes

  • Pr. Dr. Ross Milton, enzymology (Geneva University)
  • Dr. Wenyu Gu, genetic support (EPFL Lausanne)
  • Dr. Victor Mougel, chemical synthesis (ETH Zurich)
  • Pr. Dr. Markus Reiher, Computational studies (ETH Zurich)
  • Pr. Dr. George Cutsail, spectroscopy (Germany)