Characterization of antibiotic resistance genes abundance and diversity in soil bacteria by metagenomic approaches : what is the dissemination potential of the soil resistome?

par Joseph Nesme

Thèse de doctorat en Ingéniérie du vivant

Sous la direction de Pascal Simonet.

Le président du jury était Timothy Vogel.

Le jury était composé de Emmanuelle Maguin, Sylvie Nazaret, Fiona Walsh, Antoine Andremont.

Les rapporteurs étaient William Gaze, Edward Topp.

  • Titre traduit

    Caractérisation de la prévalence et de la diversité des gènes de résistance bactérienne à des antibiotiques dans le sol par des approches métagénomiques : Quel est le potentiel de la dissémination du résistome tellurique?


  • Résumé

    Les bactéries de l'environnement et du sol en particulier sont des producteurs actifs de molécules antibiotiques et les composés antibiotiques utilisés en médecine ont pour la plupart été isolés de bactéries saprophytes du sol qui ont elle mêmes développé une variété de mécanismes pour contrer les effets des antibiotiques conduisant à un arsenal de gènes de résistance à des antibiotiques dans l'environnement (ARGD). Une évaluation de l'abondance et de la diversité en terme de gènes de résistance à des antibiotiques a donc été conduite. Pour cette analyse, nous avons compilé 71 jeux de données de séquences d'ADN métagénomique environnementale variées: océans, et identifié des gènes de résistance pour chacun d'eux. Le sol est confirmé par cette étude comme un environnement extrêmement divers en terme de résistance à des antibiotiques. Cet étude in silico a été complété d'abord par une approche en microcosmes visant à étudier les effets soit de pollution soit par des molécules antibiotiques pures, soit par des effluents de ferme utilisés pour la fertilisation des sols. Les microcosmes de sols ont été incubés pendant 6 mois au laboratoire en conditions contrôlées. L'abondance de gènes de résistance à des antibiotiques a été évaluée au cours du temps par PCR quantitative. Une seconde étude visant à évaluer l'impact de la consommation de molécules antibiotiques par une population humaine sur son environnement immédiat, dont le sol, a été entreprise. Le village de Trois-Sauts est situé sur les berges du haut-Oyapock en Guyane Française. Les prescriptions antibiotiques sont très récentes dans cette région et les molécules distribuées ont été précisément répertoriées. Un transect de sol de 3km a été échantillonné chaque 600m afin de vérifier l'existence d'un gradient d'anthropisation entre le village (0m) et les échantillons de forêt les plus distants (3000m). Tous nos résultats confirment la présence à une forte abondance de gènes de résistance à des antibiotiques dans l'environnement, et en particulier dans le sol. Les facteurs à l'origine de la sélection et de la dissémination des gènes de résistance restent cependant difficiles à appréhender dans des environnements aussi complexes. C'est cependant avec une meilleure compréhension des phénomènes conduisant à l'émergence et à la dissémination des gènes de résistance à des antibiotiques au sein des flores pathogènes, depuis leur réservoir environnemental, que nous pourrons agir en vue de préserver les antibiotiques encore actifs aujourd'hui et ceux encore à développer.


  • Résumé

    Environmental bacteria and especially soil bacteria are active producers of antibiotic molecules and most drugs used nowadays are isolated from saprophytic soil bacteria and these microorganisms have also evolved numerous resistance pathways leading to an arsenal of Antibiotic Resistance Genes Determinants (ARGD) known as the environmental resistome. A survey of ARGD prevalence is required in order to characterize this natural phenomenon with critical implications in our current infectious diseases management. In order to perform such analysis we compiled a set of 71 metagenomic datasets from various environmental origins: soils, oceans, lakes, human feces, indoor air, etc., and compared their sequences with a database of known antibiotic resistance gene determinants (ARGD). ARGD-annotated reads are found in every environment analyzed confirming their ubiquity. Soil is found to be the richest and shares a large part of ARGD with the human gut microbiome, indicating ARGD transfers between these environments. Experiments using qPCR and metagenomic DNA sequencing on soil samples from two sites with known and distinct antibiotic pollution history were conducted to understand how ARGD abundance and diversity in soil are affected when impacted by antibiotic molecules. The first site is a reference soil from a long-term experiment without history of antibiotic pollution (Rothamsted Park Grass, UK). Soil microcosms are setup with addition of either antibiotic-containg animal manure or pure molecules and incubated for 6 months to monitor changes in ARGD concentration following these perturbations. Our second study-site is a very remote settlement in French Guiana where antibiotics are available since recently and may have impacted the local soil microbial community. Soil samples are taken following a line-transect going from the village (antibiotic source) to 3km deep in the forest in a gradient of human-impact. Our results all confirm prevalence of ARGD in soil at significant abundance but also that ARGD distribution is more correlated to environmental factors such as soil type, microbial taxonomy composition or microcosms incubation conditions than antibiotic molecules exposure in both sites. Pathogens ARGD diversity is far lower than ARGD diversity found in the environment and not all the soil resistome is readily accessible for transfer. In order to characterize the soil mobile gene pool, a strategy is proposed to isolate specifically mobile DNA directly from the environment for sequencing purposes. Better knowledge on the microbial ecology factors limiting ARGD transfers to pathogens may greatly help us reduce the current threat on our limited medical antibiotic molecules resource.

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  • Détails : 1 vol. (252 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 240-246

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  • Cote : T2387
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