Les bactéries magnétotactiques synthétisent des organites spécialisés appelés magnétosomes. Ils sont composés d'un cristal magnétique entouré d'une membrane et de protéines spécifiques. Arrangés en chaîne dans la bactérie, ils orientent la bactérie dans le champ magnétique, ce qui simplifierait sa recherche d’environnements microaérophiles. Dans le génome de toutes les souches magnétotactiques séquencées, l'îlot génomique de magnétotaxie contient les gènes impliqués dans la formation des magnétosomes. Nous avons procédé à l’annotation du génome de la souche magnétotactique marine QH-2 et montré que la région du génome codant les gènes de la magnétotaxie n'est, dans ce cas, pas définie comme un îlot génomique, bien qu’elle ait été acquise par transfert latéral de gènes. Dans le génome de M. magneticum AMB-1, nous avons identifié un nouvel îlot génomique de petite taille que nous avons appelé l'îlet de magnétotaxie portant 7 gènes homologues à des gènes liés à la synthèse des magnétosomes. Pour répondre à la question de la fonction biologique de cet îlet génomique, nous avons examiné le rôle de l'un des sept gènes, mamK-like. MamK-like exprimée dans E. coli forme des filaments, comme observé pour MamK. La polymérisation in vitro des deux protéines est également comparable, mais présente des différences structurales. En outre, nous démontrons que mamK-like est transcrite dans AMB-1 de type sauvage et dans le mutant ΔmamK. Par immuno-marquage, nous montrons la présence d'un filament dans le mutant ΔmamK, probablement dû à MamK-like. Nous émettons l'hypothèse que ce filament contribue à maintenir l’organisation en chaîne des magnétosomes dans la souche mutante. / Magnetotactic bacteria synthesise specialised organelles called magnetosomes. They are composed of a magnetic crystal surrounded by a lipid bilayer and specific proteins. Arranged in chains, they orient magnetotactic bacteria in the geomagnetic field, thereby simplifying their search for their microaerophilic environments. In each sequenced magnetotactic strain, the magnetotaxis genomic island contains the genes involved in magnetosomes formation. Our annotation of the newly sequenced genome of the magnetotactic strain QH-2 shows that the region coding the magnetotaxis genes is not a genomic island, though it has been acquired by lateral genes transfer. In the genome of M. magneticum AMB-1 we identified a new, small genomic island we termed the magnetotaxis islet, encoding 7 genes homologous to genes related to the magnetosomes synthesis. To assess the question of the biological function of this genomic islet, we further investigated the role of one of the seven genes, mamK-like. Filaments were observed in E. coli cells expressing MamK-like-Venus fusion by fluorescence microscopy. In vitro polymerization of both isoforms is comparable, though some differences are present at the structural level. In addition, we demonstrate that mamK-like is transcribed in AMB-1 wild-type and ΔmamK mutant cells. Immunolabelling assay using an anti-MamK antibody reveals the presence of a filament in the ΔmamK mutant. We hypothesise that this filament is due to MamK-like and that it helps maintaining a chain-like organisation of magnetosomes in the mutant strain.

Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le contexte de l'imagerie moléculaire, qui vise à adapter les traitements de pathologies à la variabilité de chaque patient, grâce à l'imagerie de biomarqueurs cellulaires ou moléculaires. En particulier, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) couplée a des nanoparticules d’oxyde de fer innovantes pourrait permettre de relever un tel défi.Cette thèse se concentre sur l'étude d'une nouvelle classe d'agents de contraste à base d'oxyde de fer pour l'IRM à haut champ magnétique. En effet, les magnétosomes sont des vésicules d’oxyde de fer produites naturellement par des bactéries appelées bactéries magnétotactiques. De telles bactéries synthétisent ces vésicules magnétiques et les alignent comme l'aiguille d'une boussole, ce qui facilite leur navigation dans les sédiments. Ces bactéries produisent donc des magnétosomes aux propriétés magnétiques exceptionnelles: 50 nm de diamètre, mono-cristallin, mono-domaine magnétique et avec une haute magnétisation à saturation. De plus, une grande variété de souches bactériennes existent dans la nature, et produisent, avec une grande stabilité, des magnétosomes dont la taille, la forme, et le contenu chimique, sont déterminés génétiquement. Enfin, les magnétosomes sont naturellement porteurs d'une membrane bi-lipidique dont le contenu est également déterminé génétiquement. Récemment, le contenu protéique de la membrane des magnétosomes a été mis à jour, ouvrant la voie à la fonctionnalisation de cette dernière par fusion des gènes codant pour des protéines présentes abondamment à la membrane avec ceux codant pour un peptide d’intérêt.Ainsi, l'utilisation de ces micro-organismes pour produire des agents de contraste innovants et fonctionnalisés pour l'imagerie moléculaire par IRM, et les applications qui en découlent, ont été étudiées pendant cette thèse. La production et l'ingénierie des magnétosomes a été réalisée par nos collègues du Laboratoire de Bioénergétique Cellulaire (LBC, CEA Cadarache), et sera présentée et discutée. Des magnétosomes sauvages ont d'abord été caractérisés en tant qu'agents de contraste pour l'IRM. De tel magnétosomes présentent des propriétés contrastantes très intéressantes pour l'IRM, ce qui a été validé à la fois in vitro puis in vivo. L'étude de faisabilité de la production d'un agent de contraste pour l'imagerie moléculaire par IRM en une seule étape, à l'aide des bactéries magnétotactiques, a été réalisée sur un modèle de souris porteur de glioblastome. Sachant par la littérature que les cellules tumorales sur-expriment les intégrines anb3, et que ces dernières peuvent être ciblées par le peptide RGD, il a été choisi de produire des magnétosomes exprimant le peptide RGD à leur membrane. L'affinité de tels magnétosomes pour les cellules tumorales U87 a été vérifiée in vitro, et démontré in vivo par IRM puis cross-validé par histologie. / This work takes place in the context of molecular imaging, which aims at tailoring medical treatments and therapies to the individual context by revealing molecular or cellular phenomenon of medical interest in the less invasive manner. In particular, it can be acheived with MRI molecular imaging using engineered iron-oxide contrast agent.This PhD thesis focuses on the study of a new class of iron-oxide contrast agent for high field MRI. Indeed, magnetosomes are natural iron-oxide vesicles produced by magnetotactic bacteria. These bacteria synthesized such magnetic vesicles and ordered them like a nano-compass in order to facilitate their navigation in sediments. This explains why magnetosomes are awarded with tremendous magnetic properties: around 50 nm, mono-crystalline, single magnetic domain and high saturation magnetization. Furthermore, a wide variety of bacterial strains exist in nature and size and shape of magnetosomes are highly stable within strain and can be very different between strains. Finally, magnetosomes are naturally coated with a bilipidic membrane whose content is genetically determined. Lately, researchers have unravelled magnetosomes membrane protein contents, opening the way to create functionnalized magnetosomes thanks to fusion of the gene coding for a protein of interest with the gene coding for an abundant protein at magnetosomes membrane.A new alternative path using living organisms to tackle the production of engineered high effciency molecular imaging probes have been investigated with magnetotactic bacteria in this PhD. The production and engineering of magnetosomes have been carried out by our partner, the Laboratoire de Bio-energétique Cellulaire (LBC, CEA Cadarache), and will be presented and discussed. We then characterized magnetosomes as contrast agent for high field MRI. We showed they present very promising contrasting properties in vitro, and assessed this observation in vivo by establishing they can be used as effcient blood pool agent after intravenous injection. Afterward, we applied the concept of producing engineered MRI molecular imaging probes in a single step by bacteria, to a mouse model of glioblastoma. Knowing that tumor cells can be actively targeted through anb3 integrins by RGD, we produced RGD functionnalized magnetosomes. We started from showing these RGD magnetosomes have a good affnity for U87 cell in vitro, prior to demonstrate it in vivo on orthotopic U87 mouse model. This in vivo affnity being fnally cross-validated with histology.