La gnomique nouvel observatoire du monde microbien Jean

La génomique nouvel observatoire du monde microbien Jean Weissenbach (Genoscope – Centre national de séquençage) Université de tous les savoirs Saint-Pères 15 Juin 2008

Quelques dates de l'histoire de la microbiologie 1684 Antonie van Leeuwenhoek

Quelques dates de l'histoire de la microbiologie 1684 Antonie van Leeuwenhoek 1838 Schwann (levure ferment vivant) 1857 Pasteur (fermentation lactique) 1860 Pasteur (fermentation alcoolique) 1864 Pasteur (génération spontanée) 1881 Koch (cultures pures)

Postulats de Koch Par l'utilisation de cultures pures on peut montrer que des organismes distincts ont des propriétés biologiques différentes

Au cours des années 70 Carl Woese procède à des comparaisons systématiques de séquences d ’ARN des ribosomes de bactéries

a TGTCGTGAGATGTTGGGTTAAGTCCCGCAACGAGCGCAACCCTCG b TGTCGTGAGATGTTGGGTTAAGTCCTTGAACGAGCGCAACCCCTG c TGTCGTGAGATGTTGGGTTAAGTCCCGCAACGAGCGCAACCCCTG d TGTTGTGAAATGTTGGGTTAAGTCCCGCAACGAGCGCAACCCTTG e TGTCGTGAGATGTTGGGGTAAGTCCCGCAACGAGCGCAACCCCTA f TGCCGTGAGGTGTTGGGTTAAGTCCCGCAACGAGCGCAACCCCTA g TGCCGTGAGGTGTACCCTTAAGTGGGGAAACGAGCGTAACCCCTA f a c d e g b

Inventaire moléculaire de la diversité d‘espèces Extraction Echantillon de l'environnement séquençage sequences Analyse de d‘ARNr 16 S séquences ADN co li Clones Cl on gènes d‘ARNr 16 S amplifiés ag e da ns E. PCR

Par cette approche Norman Pace observe dans les années 90 des séquences de r. DNA qui ne correspondent pas à des espèces connues cultivées.

Les bactéries sont partout, nombreuses et vivent parfois dans des conditions particulièrement inhospitalières … Température p. H Pyrolobus fumarii Minimum Optimum Maximum 90°C 106°C 113°C élevée thermophile basse psychrophile Polaromonas vacuolata 0°C 4°C 12°C acide acidophile Picrophilus oshimae 0, 06 0, 7 (60°C) 4 alcalinophile Natrialba magadii 8, 5 9 12 500 atm 700 atm 4°C > 1000 atm 15 % 25 % 32 % (saturation) pression élevée barophile MT 41 (Mariana Trench) 11033 mètres de profondeur salinité élevée halophile Halobacterium salinarum

Avec l'augmentation de leur nombre, une compétition s'est instaurée pour les sources • énergie • matières premières (minérales ou organiques) Pour échapper à la compétition les bactéries ont recouru à l'innovation 1) en diversifiant leurs sources d'énergie et de matières premières 2) en s'adaptant à des environnements particuliers

• énergie • oxydoréductions chimiques • différents oxydants, différents réducteurs • lumière • plusieurs utilisations de la lumière • avec ou sans production d'O 2 • matières premières (minérales ou organiques) • C minéral (CO 2 ou organique) • N atmosphérique ou sels • conditions du milieu • température • p. H • ions

Streptococcus pneumoniae Chondromyces Vibrio cholerae Streptococcus pyogenes Pseudomonas Salmonella Vue en m. e coloration négative vue en m. e à balayage

Plus de 99% des bactéries sont encore inconnues de nos jours Habitat Nombre de bactéries % de bactéries cultivables Sol 1010 - 1013 / kg 0, 01 - 0, 1 Rivières, lacs 109 - 1010 / l 0, 01 - 0, 1 Océans (surface) 107 - 109 / l 0, 001 - 0, 1 Océans (profondeur) 107 - 108 / l indéterminé Océans (sédiments) 109 - 1012 / l <1%

Les bactéries sont partout et nombreuses. . . Sols 107 à 1010 bactéries / g Eaux potable en général maximum 1000 bactéries / m. L bassin de natation 100 bactéries / m. L mer peu polluée 10. 000 bactéries / m. L lait stérilisé maximum 100 bactéries / m. L viande hachée 106 bactéries / g peau du dos 100 à 1000 bactéries / cm 2 peau des aisselles ou du pubis 106 bactéries / cm 2 fèces 50 % de la masse soit 1011 bactéries / g Aliments Corps humain sain et propre

La flore intestinale humaine Cent mille milliards de bactéries !!! Chacun de nous héberge cent mille milliards de bactéries constituant la flore digestive. Stérile avant la naissance, notre tube digestif est rapidement colonisé par cette flore complexe et diversifiée qui se stabilise au cours des premières années de la vie. Les interactions entre l’organisme et la flore digestive participent au maintien en bonne santé, alors que nous associons souvent "bactéries" et "maladie". Les bactéries que nous hébergeons ont un rôle bénéfique en termes de nutrition et de santé.

Au niveau de la planète la biomasse microbienne représente plus de la moitié de la biomasse terrestre

Croûte terrestre 100 O Si 10 Ca Na Mg 1 H P 0, 1 S N 0, 01 0, 1 1 10 C 100 Biomasse

D'où vient le carbone ? Carbone minéral : CO 2 (bactéries autotrophes : chimiolithotrophes, phototrophes) Carbone organique (bactéries hétérotrophes)

Croûte terrestre 100 O Si 10 Ca Na Mg 1 H P 0, 1 S N 0, 01 0, 1 1 10 C 100 Biomasse

D'où vient l'azote ? Azote atmosphérique N 2 Composés minéraux de l'azote (NH 4+, NO 2 -, NO 3 -)

Le rôle de l'infiniment petit dans la nature est infiniment grand Louis Pasteur

A ce jour Nos connaissances en microbiologie ont été obtenues à partir de quelques centaines d’espèces parmi les quelques 5000 espèces répertoriées Moins de 1% des bactéries sont cultivées Le monde microbien reste encore pratiquement inexploré La plupart des contributions du monde microbien à la vie de la biosphère ne sont connues que superficiellement

De nombreuses raisons de s'intéresser aux communautés bactériennes - impact sur les équilibres biogéochimiques - quels sont les acteurs ? - nouvelles étapes des cycles biologiques des éléments - impact sur la santé (flores microbiennes humaines) - modèles d'écosystèmes (structure des communautés bactériennes) - utilisation de la biodiversité à des fins d'applications - substances thérapeutiques - substances d'intérêt industriel - enzymes utiles pour la chimie de synthèse - bioremédiation - nouveaux éclairages sur l'évolution

Comment aborder la question de la composition des communautés bactériennes ? - r. DNA 16 S - FISH - métagénomique - techniques sur cellules isolées - culture

La métagénomique Extraction Echantillon de l'environnement Clonage dans E. coli ADN Clones séquençage sequences Analyse de d‘ADN séquences

Tous les génomes de bactéries possèdent au moins une copie du gène rouge

Ce gène rouge présent chez toutes les bactéries est en fait composé - de parties communes retrouvées dans ce gène dans toutes les bactéries - de parties qui sont propres à une seule espèce de bactéries

Ce gène présent chez toutes les bactéries possède des - parties communes (noir) qui sont présentes sur la séquence de ce gène dans toutes les bactéries ceci permet de le retrouver à partir d'un mélange des ADN extraits de bactéries vivant dans un environnement particulier

Ce gène présent chez toutes les bactéries possède des - parties (autres couleurs) qui sont uniques à chaque espèce de bactéries ceci permet de distinguer ce gène chez une espèce du même gène chez les autres espèces du mélange

Ce gène présent chez toutes les bactéries possède des - parties (autres couleurs) qui sont uniques à chaque espèce de bactéries ceci permet aussi savoir quelles espèces connues et inconnues sont dans le mélange et d'avoir une idée du nombre d’espèces de bactéries qui sont dans le mélange et de leur abondance

Résultats : Hybridation in situ sur les boues Floc du bassin aérobie (BA) photo CLSM (gross. 630) hybridation avec sonde : - groupe Planctomycetales Pla 46 F marqué au CY 5 - sonde spécifique « nouveau genre » 322 R marqué au CY 3 - superposition Pla 46 F et 322 R - autofluorescence 10 µm

Problèmes d'analyses données d'un métagenome • Données très fragmentaires • Liens perdus avec les cellules d'origine • La grande majorité de ces cellules sont inconnues

Quelques résultats de la métagénomique - reconstitution de la séquence génomique complète de plusieurs bactéries non cultivables - présence d'un grand nombre de gènes de proteorhodopsine dans les bactéries - découverte de dizaines de milliers de gènes de fonction inconnue - association entre type de flore bactérienne intestinale et obésité