Développement et premières applications d'une méthode de tri de cellules bactériennes par marquage de l'ADN avec des nanoparticules magnétiques pour l'étude de la diversité bactérienne environnementale et des transferts horizontaux de gènes in situ

Development and first applications of a bacterial cell sorting method by labeling DNA with magnetic nanoparticles to study bacterial diversity and in situ horizontal gene transfer

• Auteur / Autrice : Jérémy Pivetal
• Direction : Pascal Simonet, Naoufel Haddour, Marie Frenea-Robin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingéniérie pour le vivant
• Date : Soutenance le 03/05/2013
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Peyret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Naoufel Haddour, Philippe Garrigues, Nora Dempsey
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Heulin, Marie-Caroline Jullien

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert génétique

Microbiologie

Mots clés libres

Tri cellulaire magnétique

Microsystème

Hybridation magnétique in situ

Nanoparticules magnétiques

Transfert horizontal de gènes

Génomique sur cellules isolées

Magnetic cell sorting

Microsystems

Magnetic in situ hibrizidation

Magnetic nanoparticles

Horizontal gene transfer

Single cell genomics

Résumé

En dépit de leur importance, la caractérisation des communautés bactériennes dans l’environnement reste encore très incomplète. Les principales raisons sont, d’une part, la difficulté d’appréhender la totalité de la communauté bactérienne quand plus de 99% des bactéries demeurent récalcitrantes à la culture in vitro et ne peuvent donc être étudiées par les approches classiques de microbiologie. D’autre part, la métagénomique, censée contourner cette méthode de culture en s’intéressant à l’ensemble des génomes extraits des milieux d’études, demeure elle aussi imparfaite du fait de limitations techniques (biais d’extraction de l'ADN, de clonage, de PCR, de séquençage et d’assemblage des génomes etc.) et conceptuelles, inhérentes à la complexité et l’hétérogénéité des environnements. Pour compenser les limites de chacune de ces techniques, des méthodes de tri cellulaire appliquées en conjonction avec les deux premières pourraient aider à un meilleur décryptage de la diversité microbienne. Basée sur la sélection spécifique (taxonomique et/ou fonctionnelle) et l’isolement direct des cellules bactériennes ciblées à partir d’un échantillon environnemental complexe, l’étude est restreinte à une population spécifique, voire à une cellule isolée. Pourront alors être appliquées les approches classiques de mise en culture ou d’extraction de l’ADN pour une étude restreinte à l’ADN ou l’ARN, leur répétition sur les différentes populations devant à terme (lointain) approcher l’exhaustivité. C’est dans ce contexte que s’est positionné ce travail de thèse visant dans un premier temps à mettre au point un nouvel outil de tri cellulaire basé sur l’intégration de micro-aimants permanents dans un canal microfluidique. A partir de ce système de tri magnétique miniaturisé, offrant de nombreux avantages (dispositif portable, peu coûteux, nécessitant de faibles volumes réactionnels et potentiellement intégrable en « laboratoire sur puce »), une technique d’isolement sélectif de cellules bactériennes marquées magnétiquement a alors été développée. Ciblées sur des critères taxonomiques après hybridation in situ avec des sondes d’acides nucléiques biotinylés complémentaires d’une région spécifique du gène 23S rRNA, des cellules bactériennes ont été marquées magnétiquement après réaction de la sonde avec des nanoparticules magnétiques fonctionnalisées par des molécules de streptavidine. Les premiers résultats montrent l’établissement d’une méthode de tri suffisamment spécifique et sensible pour piéger les cellules marquées diluées (0,04%) au sein d’une suspension, à des niveaux compatibles avec l’isolement futur de populations d’intérêt à partir de communautés d’environnements complexes. Sur un principe comparable, l’approche a été adaptée à l’étude des transferts horizontaux de gènes in situ. Les applications d’un tri cellulaire grâce au marquage par des nanoparticules magnétiques et l’emploi de micro-aimants intégrés dans des microsystèmes fluidiques semblent donc très prometteuses pour le développement de la microbiologie environnementale.

Despite their importance, bacterial communities in the environment remain poorly characterized. On the one hand, it is difficult to gain knowledge of the community as a whole because over 99% of bacteria are recalcitrant to in vitro culture, rendering classic microbiological approaches imposible to carry out. On the other hand, metagenomics, which can be used to circumvent culture-based approaches by extracting all the genomes from a given environment, is also problematic given the associated technical limitations (biases related to DNA extraction, cloning, PCR, genome sequencing and assembling etc.), and conceptual difficulties related to the complexity and the homogeneity of the environments. In order to overcome some of the limitations of these approaches, bacterial cell selection methods have been developed and can be used to improve our understanding of microbial diversity. Based on taxonomic and/or functional selection and the direct isolation of bacterial cells from an environmental sample, bacterial cell selection can be used to reduce microbial community complexity by targeting specific populations, or even an isolated cell. A variety of classic approaches such as cultivation or DNA/RNA extraction can then be carried out. This cycle can theoretically be repeated until all members of the community are characterized. The aim of this doctoral thesis was to design a novel cell selection tool based on the permanent integration of micro-magnets into a microfluidic canal. In conjunction with a new miniaturized magnetic selection system that provides several advantages over larger systems (portable, low cost, requiring smaller reaction volumes and can be potentially integrated on “laboratory on a chip” systems), a method for selective bacterial cell isolation using magnetic labeling was developed. The bacterial cells were targeted based on taxonomic criteria; biotin-labeled probes were developed for a specific region of the 23S rRNA gene. Following in situ hybridization with the probes, baceterial cells were labeled with streptavidin-functionalized magnetic nanoparticles. First results showed that the tool was specific and sensitive enough to trap labeled and diluted (0,04%) cells from a suspension at levels that are comparible to populations of interest found in complex environmental communities. This tool has also been adapted to study in situ horizontal gene transfer as well. The application of a cellular selection tool that labels targets with magnetic nanoparticles coupled to fluidic microsystems with integrated nano-magnets looks very promising for future studiesin environmental microbiology.