Métagénomique et bioinformatique : étude des polykétides synthases bactériennes

par Aurélien Ginolhac

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Timothy Vogel.

Soutenue en 2006

à Lyon 1 .

mots clés

• Génétique bactérienne -- Acétogénines
• Bioinformatique
• Transfert génétique
• Variabilité génétique
• Phylogénie

Résumé

L’immense diversité bactérienne demeure presque totalement inconnue et partiellement exploitée par l’homme. La raison en est l’incapacité de la quasi-totalité des bactéries (99%) à se multiplier sur milieux artificiels classiques. Aujourd’hui, des alternatives à la croissance in vitro existent. Celles-ci dénommées « metagénomiques » sont basées sur l’extraction de l’ADN des bactéries environnementales pour l’étudier directement et même en exploiter les propriétés génétiques en faisant exprimer les gènes de ces organismes inconnus par des hôtes bactériens domestiqués. Notre travail a consisté à participer au développement de ces approches en ciblant plus précisément les gènes codant les polykétides synthases de type I (PKSI). Ces enzymes présentent l’intérêt d’être essentielles au potentiel adaptatif bactérien en produisant des molécules de la famille des polykétides. Ces composés possèdent de nombreuses activités biologiques, exploitées par l’homme puisque 70% des antibiotiques dérivent de polykétides. L’étude par des approches bioinformatiques de l’ADN metagénomique d’un sol a permis de montrer l’extraordinaire diversité génétique des PKSI issues des bactéries non cultivées. Notre travail a montré que cette diversité était liée à la structure modulaire de ces enzymes ainsi qu'aux très nombreux transferts horizontaux de gènes qui permettent la génération de combinaisons géniques originales conduisant à une diversité d'activités anti-microbiennes. Ces résultats ont confirmé le potentiel industriel considérable du monde bactérien que les approches metagénomiques permettent aujourd’hui de commencer à exploiter

Titre traduit

Metagenomic and bioinformatic : study of type I bacterial polyketide synthases

Résumé

The huge bacterial diversity still partially ignored and almost totally unexploited. The main reason is our limited capabilities to in vitro cultivate the major part of this diversity represented by 99% if considering all environments. Nowadays, progresses in molecular biology technologies allow to overpass this main technological hurdle by extracting the DNA from the environment for direct analysis or even to clone it into domesticated host expression systems to recover expression products. PKSI have been focused because of their potential adaptative important role for the bacteria which have it but also because their pharmaceutical interest since 70% of the existing antibiotics belong to or derive from the polyketide family synthesised by the PKS biosynthetic pathways. By using bioinformatic on the environmental DNA recovers in a metagenomic library constructed from soil, we demonstrate the extraordinary genetic diversity of the PKSI biosynthetic pathways. We also demonstrate that this important diversity can be linked to the modular structure of the enzymes involved and that horizontal gene transfer generates an original genetic combination. This multi-altering genetic system is the basis to synthesise a myriad of antibacterial activities. Thus, these results confirm the industrial potential in exploring the metagenome for the discovery of new chemical structures and other synthesised products