Z.galactanivorans
Alginate
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Le travail présenté dans ce manuscrit est organisé de la façon suivante. Le Chapitre 2 présente une synthèse bibliographique de l'importance des Bacteroidetes environnementaux, intestinaux et pathogènes pour la dégradation de la matière organique. Le Chapitre 3 concerne la détermination de gènes de normalisation, qui pose les bases de l'étude transcriptomique de l'expression des gènes chez Z. galactanivorans. Le Chapitre 4 est une étude bio-informatique et transcriptomique du système complet de dégradation de l'alginate par cette bactérie. J'étudie l'expression des différents gènes impliqués dans cette voie et mets en évidence pour la première fois l'existence d'opérons alginolytiques, conservés au sein des phyla des Bacteroidetes et Proteobacteria. Cette étude prometteuse a été élargie à l'ensemble du génome, par une approche transcriptomique par puces à ADN, dont les résultats sont présentés dans le Chapitre 5. Elle révèle les voies de transduction du signal potentiellement impliquées dans la dégradation de polysaccharides d'algues par Z. galactanivorans et dévoile de surprenants mécanismes d'inductions croisées.
Afin de caractériser biochimiquement les différents acteurs impliqués dans la dégradation de l'alginate, j'ai choisi d'exprimer un certain nombre d'entre eux de manière hétérologue chez E. coli. La mise en œuvre et les résultats de cette stratégie de clonage et d'expression à moyen débit sont présentés dans le Chapitre 6. La dernière partie du travail, présentée dans le Chapitre 7, a été la caractérisation phylogénétique, biochimique et cristallographique des alginate lyases de la famille PL7 de Z. galactanivorans.
En intégrant les résultats provenant des différentes approches, il est possible de dresser une vue globale des mécanismes nécessaires à la détection, l'import et l'utilisation de l'alginate par Z. galactanivorans. Ce travail suggère de nouvelles hypothèses quant aux interactions entre les bactéries hétérotrophes, la matière organique et les macroalgues. Il ouvre des perspectives qui sont discutées dans le Chapitre 8.
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Présentation de la revue
Les membres du phylum des Bacteroidetes, auquel appartient Z. galactanivorans, ont colonisé pratiquement toutes les niches écologiques. Dans l'environnement, ils ont une distribution quasi-ubiquitaire. Comme je l'ai déjà mentionné dans l'introduction, ils sont un des composants majeurs des communautés microbiennes en association avec les macroalgues. On les retrouve par ailleurs abondamment dans les sols, les océans et les eaux douces. D'autre part, les Bacteroidetes représentent une part importante du microbiome des animaux, particulièrement dans le tractus gastro-intestinal. Leur comportement peut varier de la symbiose avec l'hôte à la pathogénicité. Dans ces différents habitats, les Bacteroidetes sont reconnus comme étant spécialistes de la dégradation de la matière organique de haut poids moléculaire, comme les polysaccharides et les protéines.
Dans ce contexte, la revue présentée ci-après et publiée en 2011 dans le journal "Frontiers in Microbiology" propose un bilan des connaissances sur le rôle et les mécanismes de la dégradation des polysaccharides par les Bacteroidetes. Quel que soit leur environnement, la fonction biologique des Bacteroidetes semble liée à leur grande capacité à utiliser les biopolymères d'origine végétale ou animale. La description de nouveaux taxons dans ce phylum résulte souvent du criblage d'échantillons pour découvrir des activités enzymatiques originales avec de nouvelles applications potentielles. Cela a par exemple été le cas pour Z. galactanivorans, isolée pour sa capacité à dégrader les polysaccharides d'algues rouges (Potin et al., 1991). L'ère de la génomique a permis le séquençage de nombreuses espèces au sein du phylum, la première d'entre elles étant Bacteroides thetaiotaomicron, un symbionte du système digestif de l'Homme. L'annotation des génomes confirme qu'ils codent un nombre important d'enzymes agissant sur les polysaccharides (CAZymes). Par exemple, le génome de B. thetaiotaomicron contient 44 glycoside hydrolases et polysaccharide lyases par mégabase. En plus de ces CAZymes, le séquençage des génomes révèle l'existence de deux familles de gènes paralogues largement représentées chez les Bacteroidetes : il s'agit des gènes codant les protéines homologues à SusC et SusD chez B. thetaiotaomicron. Ces protéines de la membrane externe sont impliquées dans la fixation et la dégradation de polysaccharides, comme il a été montré pour la première fois dans le cas de l'utilisation de l'amidon. Les protéines SusD sont uniques au phylum des Bacteroidetes. Au sein des génomes, les paires de gènes susC- et susD-like sont fréquemment retrouvées dans des
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clusters en association avec des CAZymes et des régulateurs de l'expression génétique. Ces clusters sont connus sous le nom de Polysaccharide Utilization Locus (PUL). L'invention de protéines SusD-like et le développement de tels PUL pourraient en partie expliquer la spécialisation du phylum des Bacteroidetes dans la dégradation de polysaccharides. De plus, les génomes des Bacteroidetes sont très plastiques et fréquemment réorganisés par des phénomènes comme des duplications ou des transferts latéraux de gènes. Dans la dernière partie de cette revue, des liens potentiels entre symbiontes intestinaux et espèces environnementales sont discutés. Il apparaît que les Bacteroides intestinaux peuvent incorporer de nouveaux gènes provenant de bactéries de l'environnement ingérées en même temps que la nourriture. Ces transferts latéraux expliquent l'acquisition de nouvelles capacités cataboliques par le microbiome. Par ailleurs, la question de l'origine et de l'évolution des
functional specialization in various environments. We address the links between these different microbial communities through food consumption, which raise the question of the evolution of gut microbes.
Bacteroidetes in the normal microbiota of animals
Microbes that live in and on humans (known as microbiota) can represent up to 100 trillion cells, 10 times more than the eukaryotic stem and somatic cells (Ley et al., 2006b; Turnbaugh et al., 2007). The large majority of these microbes reside in our GIT, and belong either to the Firmicutes or Bacteroidetes phyla (Marchesi, 2010). In fact, these two bacterial phyla account for >98% of the 16S rRNA sequences detected in the gut microbiota of mammals (Ley et al.,
2006b). Bacteroidetes have colonized all the different parts of the
GIT, despite the different conditions they have to face in terms of, e.g., pH, nutrients, and oxygen availability. Due to their easier acces-sibility, the mouth and colon microbiota have been the most studied. The large intestine is the most colonized compartment of the GIT, with bacterial densities reaching 1011–1012 cells/ml (Whitman et al., 1998). Members of the Bacteroidetes phylum are well known colo-nizers of the colon. They account for about 50% of the 16S rRNA sequences detected from healthy human mucosal tissues (Eckburg
et al., 2005). Among this phylum, members of the genus Bacteroides
the phylum bacteroidetes
The phylum Bacteroidetes is a very diverse bacterial phylum, the name of which changed several times over the past years. It is also known as the Cytophaga–Flexibacter–Bacteroides (CFB) group, an appellation that reflects the diversity of organisms found in this phylogenetic group (Woese, 1987; Woese et al., 1990). According to the Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology (Bergey’s, 2011), the Bacteroidetes phylum comprises four classes: Bacteroidia,
Flavobacteria, Sphingobacteria, and Cytophagia, representing
around 7000 different species (NCBI, October 2010). The larg-est class is the Flavobacteria, grouping together around four times more species than the three others (Table 1). These bacteria are all Gram negative, cover a mixture of physiological types, from strictly anaerobic Bacteroides to strictly aerobic Flavobacteria. They are non-motile, flagellated, or move by gliding.
Members of the phylum Bacteroidetes have colonized many dif-ferent ecological niches, including soil, ocean, freshwater, and the gastrointestinal tract (GIT) of animals, where they display various biological functions. In particular, they are well known degrad-ers of polymeric organic matter. This review describes current knowledge on the role and mechanisms of polysaccharide deg-radation by Bacteroidetes in their respective habitats. We empha-size the features shared by members of the phylum that allow this