Les bactéries magnétotactiques représentent un groupe d’une grande diversité écologique et phylogénétique. Elles sont capables de biominéraliser des nanocristaux de magnétite [un oxyde de fer (Fe(II)Fe(III)2O4)] ou de greigite [un sulfure de fer (Fe(II)Fe(III)2S4)] dans leurs magnétosomes, organites alignés en chaînes permettant la navigation le long des lignes de champ magnétique terrestre. Jusqu'à récemment, seules des souches produisant de la magnétite étaient disponibles en culture pure, conduisant à des études sur les mécanismes de biominéralisation de cet oxyde de fer. En 2011, une nouvelle bactérie capable de former de la magnétite et de la greigite, Desulfamplus magnetovallimortis souche BW-1, a été cultivée avec succès en laboratoire. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser une approche intégrée et multidisciplinaire pour comprendre les mécanismes de biominéralisation de la greigite en utilisant comme modèle d’étude la souche BW-1. Nous avons donc cherché à déterminer les conditions environnementales et biologiques favorisant la formation de la magnétite et de la greigite. Ces travaux ont également conduit à la caractérisation physiologique et phylogénétique de BW-1. Puis, l’utilisation d’approches globales et ciblées de transcriptomique ont permis d'évaluer le taux d'expression des gènes impliqués dans la formation des magnétosomes (magnétite vs. greigite) dans diverses conditions de croissance. Une approche de protéomique a permis d’apporter des informations supplémentaires à cette étude. Ces résultats ont permis de progresser dans la compréhension fondamentale de la biominéralisation in vivo, en particulier pour des bactéries formant de la greigite. / Magnetotactic bacteria represent a phylogenetically and ecologically diverse group of prokaryotes able to biomineralize magnetic nanocrystals composed of magnetite [an iron oxide (Fe(II)Fe(III)2O4)] or greigite [an iron sulfide (Fe(II)Fe(III)2S4)] in their magnetosomes, a prokaryotic organelle whose cytoplasmic alignement in chain allows the cell to navigate along the Earth’s magnetic field lines. Until recently, only magnetite-producing strains were available in pure culture. Thus, only the magnetite biomineralization has been studied. In 2011, a new bacterium able to form both magnetite and greigite, Desulfamplus magnetovallimortis strain BW-1, was isolated from Death Valley, California and cultivated in pure culture. In this work, we propose to use an integrated and multidisciplinary approach to understand the mechanisms involved in greigite biomineralization in BW-1 strain. First, we determined the environmental and biological conditions in which magnetite and greigite are formed. This first part of my thesis also contributed to the physiologic and phylogenetic characterization of this bacterium. Secondly, we used global and targeted transcriptomic approaches to evaluate the transcription levels of genes putatively involved in magnetosomes formation (magnetite vs. greigite) under various growth conditions. A proteomic approach provided additional informations to this study.Results obtained during my thesis contribute to the understanding of in vivo biomineralization, particularly for greigite production in magnetotactic bacteria.

Les bactéries magnétotactiques (MTB) ont la particularité de s’orienter le long des lignes de champ magnétique terrestre. Ce comportement est lié à la présence d’organites intracellulaires appelés magnétosomes, constitués d’un nanocristal de fer magnétique enveloppé d’une membrane biologique. L’un des obstacles majeurs rencontrés dans l’étude des MTB microaérophiles réside dans la difficulté à les cultiver, notamment du fait de leur extrême sensibilité à l’oxygène, nécessaire pour la croissance mais qui en même temps inhibe fortement la synthèse des magnétosomes. Dans ce travail, un protocole d’incubation en bioréacteur d’une MTB marine récemment isolée, Magnetospira sp. (QH-2), a été développé. Le contrôle précis des conditions de croissance a permis de déterminer finement la gamme de sensibilité de la souche à la pression partielle d’oxygène (pO2) et de préciser son métabolisme hétérotrophe, basé sur la consommation concomitante du succinate et de l’histidine. Dans un autre volet, l’analyse par RT-qPCR du niveau d’expression des gènes impliqués dans la synthèse des magnétosomes a permis de démontrer chez QH-2 une régulation extrêmement fine de ce processus de biominéralisation, dépendante de la présence de fer et des conditions d’oxygénation. Nos résultats mettent en évidence un lien indirect entre la synthèse des magnétosomes et le métabolisme général du fer chez QH-2. La mise au point d’un nouveau dispositif de culture a permis de multiplier le taux de croissance de QH-2 par cinq comparé aux cultures traditionnelles réalisées en flacons. Cet outil pourra être utilisé à l’avenir pour isoler et cultiver d’autres microorganismes ayant des besoins en oxygène spécifiques. / Magnetotactic bacteria (MTB) have the ability to orient themselves along geomagnetic field lines. This behavior is linked to the presence of intracellular organelles called magnetosomes, which are membrane-enclosed magnetic iron minerals. One of the major obstacles to the study of microaerophilic MTB is their fastidiousness with regard to their growth, due to their extreme sensitivity to oxygen that is required for cell growth but also strongly inhibits magnetosome synthesis. In this thesis, a method for the incubation in a bioreactor of a newly isolated marine MTB, Magnetospira sp. (strain QH-2), has been developed. The precise control of the growing conditions allowed us to determine the pO2 (oxygen partial pressure) range tolerated by the strain and to clarify its heterotrophic metabolism based on the concomitant consumption of succinate and histidine. In another part, the expression of the genes involved in magnetosome synthesis based on RT-qPCR analysis revealed a tight regulation of the biomineralization process, depending on the availability of iron and oxygen concentration. Our findings highlight the existence of an indirect link between magnetosome biosynthesis and the general iron metabolism in QH-2. The development of a new culture device has increased the growth rate of QH-2 by a factor of five compared to the traditional incubation using flasks. In the future, this tool could also be used to grow other microorganisms that have specific low but constant O2-requirements, and should facilitate the isolation and the development of new microaerophilic microbial models.