An L-haloacid dehalohenase from the psychrophilic marine bacteria Psychromonas ingrahamii has been cloned, over-expressed in a bacterial expression system and biochemically characterised. The enzyme is stable at temperatures of up to 60ºC for 90 min and shows highest activity towards substrates with short carbon chains (≤C3). The enzyme is stable in up to 30% ethanol, methanol and DMSO when incubated for 1 h. The Km for the enzyme is 1.36 mM. The genome of AQP5750 from the Aquapharm Biodiscovery Ltd Microbial library was sequenced. An L-haloacid dehalohenase and a haloalkane dehalogenase gene were identified within the genome. The AQP5750 L-haloacid dehalohenase has been cloned, over-expressed in a bacterial expression system, biochemically characterised, crystallized and the native and crystal complex structure with chloropropionic acid (MCP) determined. The L-haloacid dehalohenase from AQP5750 shows highest activity at 55ºC towards brominated substrates with short carbon chains (≤C3). The enzyme shows increased activity of 150% in 40% DMSO and 123% in 30% methanol. The L-haloacid dehalohenase crystal complex structure with covalently bound MCP confirmed Asp 18 as the main catalytic residue. Residues His 183, Asp 186 and Glu 21 in the active site are proposed to be involved in activation of the catalytic water which attacks the ester intermediate in the second part of the SN2 dehalogenase mechanism. The AQP5750 haloalkane dehalogenase has been cloned, over-expressed in a bacterial expression system, crystallized and the native and complex structure with 1-hexanol has been determined. Substrate specificity experiments showed that the haloalkane dehalogenase from AQP5750 does not show high activity towards substrates used by other haloalkane dehalogenases with high amino acid sequence identity. The large active site cavity and the presence of Ser 176 and Arg 136 in the hydrophobic binding pocket may alter the binding of substrates tested which could account for the low activity observed.

La propagation des micro-organismes résistants aux antibiotiques menace le système mondial de santé publique. Pour lutter contre ce phénomène, le renouvellement des molécules utilisées en antibiothérapie est devenu une priorité mondiale. Les antibiotiques étant principalement d’origine microbienne, l’étude des micro-organismes et de leurs métabolites s’est donc renforcée et s’oriente vers des écosystèmes peu explorés comme les biotopes marins.Nous avons exploré les activités antimicrobiennes d’une collection de 183 champignons isoles de sédiments marins profonds et collectés entre 4 et 1884 mètres sous le plancher océanique. Le potentiel de production de métabolites de cette collection a été révélé par un criblage génétique ciblant les PolyKetide synthase (PKS), les Non-Ribosomal Peptide Synthetase (NPRS), les TerPene Synthase (TPS) et les hybrides PKS-NRPS. Après avoir regroupé les isolats en fonction de leur profil MSP PCR, 110 ont été sélectionnés pour un criblage fonctionnel, montrant une forte proportion de champignons filamenteux antimicrobiens (32%).Après extraction et fractionnement, les composés bioactifs de 3 souches ont été caractérisés aux niveaux structural et fonctionnel. Ainsi, O. griseum UBOCC-A-114129 produit la fuscine, la dihydrofuscine, la secofuscine et la dihydrosecofuscine, P. bialowiezense UBOCC-A-114097 produit l’acide mycophénolique et Penicillium sp. produit UBOCC-A-114109 la rugulosine.Parallèlement, des analyses en LC-HRMS, réalisées sur des extraits fongiques, ont révélé un grand nombre de métabolites non décrits dans les bases de données. Les champignons des sédiments marins constituent donc un réservoir de structures originales à explorer. / The spreading of antimicrobial resistant microorganisms jeopardizes global health caresystem. To counteract this threat the renewal of antibiotic molecules is a global priority. Antibioticcompounds are mainly originated from microorganisms, so microorganisms and their secondarymetabolites received an increasing interest. The search for new natural antimicrobial compoundsfrom microorganisms gained untapped ecosystems as marine biosphere.We investigated the antimicrobial properties of a fungal collection. The 183 fungal isolateswere collected from deep subseafloor sediment and isolated between 4 and 1,884 meters belowthe seafloor. Secondary metabolites production potential was studied for all isolates in thecollection by screening genes coding PolyKetide Synthase (PKS), Non-Ribosomal Peptide Synthetase(NRPS), TerPene Synthase (TPS) and hybrid PKS-NRPS. After isolates dereplication according to theirMSP-PCR fingerprinting, an antimicrobial screening was performed for 110 isolates, highlighting ahigh proportion of filamentous fungi with antimicrobial properties (32%).After extraction and bio-guided fractionation bioactive metabolites isolated from 3 strains,were characterized in a structural and functional manner: O. griseum UBOCC-A-114129 producedfuscin, dihydrofuscin, secofuscin and dihydrosecofuscine, P. bialowiezense UBOCC-A-114097synthetized mycophenolic acid and Penicillium sp. UBOCC-A-114109 produced rugulosin.In the meantime, LC-HRMS analysis, performed on fungal extracts, showed a great proportionof metabolites not detected in interrogated databases. So, deep subseafloor fungi, represent anuntapped reservoir of original structures to explore.

Depuis la découverte des cheminées hydrothermales, de multiples travaux ont été menés afin d’en étudier la diversité microbienne. Les inventaires moléculaires réalisés ont ainsi mis en évidence une grande diversité d’espèces qui contraste avec la faible proportion (1 %) d’espèces isolées par approche culturale. Une nouvelle approche d’immobilisation cellulaire par inclusion dans une matrice de polymères (gellane et xanthane) a ainsi été développée pour permettre l’étude de ces communautés thermophiles anaérobies marines. Le système, basé sur la formation d’une émulsion entre une solution de polymères inoculée et de l’huile, permet le piégeage de cellules dans des billes de gel de 1 à 2 mm de diamètre. Les conditions optimales d’immobilisation ont été obtenues pour une émulsion réalisée à 80 °C sous agitation (150 tr/min) à partir d’une solution de gellane (2,5 %) et de xanthane (0,25 %) avec 12 g/L de NaCl et 4 g/L de citrate de sodium, bullée à l’azote et réduit au Na2S avant inoculation. Les billes ont montré une bonne résistance mécanique après 5 semaines d’incubation à des pH compris entre 5,4 et 8, des températures allant jusqu’à 90 °C et des concentrations en NaCl et soufre allant jusqu’à respectivement 80 et 5 g/L. Des cultures en batch de Thermosipho sp. AT1272 et Thermococcus kodakarensis KOD1 immobilisées ont permis d’obtenir des concentrations allant jusqu’à 107 cellules/g de billes et 108 cellules/mL de fraction liquide. Une culture en continu réalisée en bioréacteur gas-lift pendant 41 jours à partir d’une communauté synthétique immobilisée composée de 8 souches (hyper)thermophiles a démontré la capacité de l’immobilisation cellulaire à protéger les cellules face à un stress oxique et à les maintenir (3 des 8 souches) dans le bioréacteur jusqu’à ce que les conditions de culture soient propices à leur croissance. La réactivité de la communauté immobilisée face aux changements environnementaux (température) a également été démontrée. Enfin, la culture en continu réalisée pendant 64 jours d’un échantillon immobilisé de diffuseur du site Rainbow a permis la croissance de plusieurs espèces bactériennes et archéennes (Oceanithermus sp., Thermococcus sp.) dont une partie n’a été détectée que dans les billes (Sulfurimonas sp., Nitratifractor sp., Vibrio sp.) par clonage-séquençage. L’ensemble de ces résultats ont permis de valider l’utilisation d’un protocole d’immobilisation par inclusion dans une matrice de polymères pour l’étude des communautés hydrothermales, de leur diversité et de leur dynamique. / Since the discovery of hydrothermal vents, multiple studies have been conducted in order to study microbial diversity. Molecular inventories realized have thus demonstrated a great diversity of species that contrasts with the low proportion (1%) of species isolated by culture approach. A new cell immobilization approach by inclusion in a polymer matrix (gellan and xanthan) has been developed for the study of these thermophilic anaerobic marine communities. The system, based on the formation of an emulsion between an inoculated polymer solution and oil, allows the entrapment of cells in gel beads with a diameter between 1 and 2 mm. The optimal immobilization conditions were obtained for emulsion performed at 80 °C with stirring (150 rpm) with a polymer solution composed of gellan (2.5%) and xanthan (0.25%) with 12 g/L of NaCl and 4 g/L of sodium citrate, bubbled with nitrogen and reduced with Na2S before inoculation. The beads showed a good mechanical stability after a 5-week incubation at pH between 5.4 and 8, temperatures up to 90 °C and NaCl and sulfur concentrations up to respectively 80 and 5 g/L. Batch cultures of immobilized Thermosipho sp. AT1272 and Thermococcus kodakarensis KOD1 yielded concentrations up to 107 cells/g of beads and 108 cells/mL of liquid fraction. A continuous culture performed in a gas-lift bioreactor for 41 days of an immobilized synthetic community composed of 8 (hyper)thermophilic strains demonstrated the capacity of cell immobilization to protect cells from oxique stress and to maintain them (3 of 8 strains) in the bioreactor until having suitable culture conditions for their growth. The reactivity of the immobilized community to environmental change (temperature) was also demonstrated. Finally, the continuous culture performed for 64 days of an immobilized diffuser sample from Rainbow site allowed the growth of several bacterial and archaeal species (Oceanithermus sp., Thermococcus sp.), part of which was detected only in the beads (Sulfurimonas sp., Nitratifractor sp., Vibrio sp.) by cloning-sequencing. All these results have validated the use of an immobilization protocol by inclusion in a polymer matrix for the study of hydrothermal communities, of their diversity and their dynamics.

Les virus peuvent être retrouvés dans tous les écosystèmes où de la vie est présente. Ils constituent l’entité biologique la plus abondante de la biosphère. Si de nombreuses données sont disponibles sur l’abondance et la dynamique virale dans les écosystèmes aquatiques tempérés, peu d’études ont été menées sur ces aspects dans les milieux extrêmes, dont les sources hydrothermales. Dans l’étude présentée dans ce manuscrit, les communautés procaryotiques et virales des sources hydrothermales des Terres australes et antarctiques françaises (TAAF) ont été explorées. Dans un premier temps, les cellules procaryotiques et les particules de type viral (VLP) ont été dénombrées dans plusieurs sources chaudes terrestres et marines côtières. L’abondance microbienne et virale est de l’ordre de 105 - 106 particules/ml dans les deux types de sources avec des rapports VLP/procaryotes (VPR) qui sont généralement faibles, concordant ainsi avec rares les données disponibles actuellement dans la littérature. Dans un second temps, la diversité morphologique des VLP a été analysée par observation au microscope électronique à transmission. La présence de VLP de morphologies différentes a pu être constatée dans quelques échantillons bruts, mais également dans des cultures d’enrichissement, où elles étaient associées à des Thermococcales et des Thermotogales. Finalement, quelques souches isolées de ces échantillons ont été criblées pour la présence de virus aboutissant à la description d’un nouveau bactériovirus tempéré associé à une bactérie thermophile Geobacillus. L’effet d’un choc osmotique en présence de NaCl et l’effet d’un stress anoxique sur la production virale ont également été étudiés. La caractérisation du virus GTV1 a ensuite été entamée. Il appartient à la famille des Myoviridae et a un génome composé d’ADN double brin de 38841 pb, composé de 71 ORF prédits. Enfin, l’étude de la diversité microbienne a permis de décrire une nouvelle espèce bactérienne hautement thermophile, Calditerricola clavaformis sp.nov. / Viruses thrive in all types of ecosystems where life is found. They represent the most abundant biological entity of our biosphere. Though several studies have been conducted on viral abundance and dynamics in mesophilic aquatic ecosystems, these aspects remain largely unexplored in extremophilic environments, such as hot springs. In this study, prokaryotic and associated viral communities of the French Southern and Antarctic Lands hot springs were explored. First, prokaryotic cells and Virus-like particles (VLP) were enumerated in several terrestrial and inshore hot springs. The results reveal an abundance of 105 - 106 particles/ml in both types of hot springs studied. The virus-to-prokaryote ratios (VPR) were generally low, confirming thus actual knowledge in these types of ecosystems. The morphological diversity of VLP was then studied in raw samples as well as in enrichment cultures containing Thermococcales and Thermotogales. Several isolates obtained from these samples were then screened for viral particles which led to the discovery and description of a temperate phage (GTV1) of a thermophilic bacterium belonging to the genus Geobacillus. The effect of NaCl and anoxic stress on the viral production was studied. The genomic characterization of the GTV1 was started and revealed a 38441 bp genome with 71 predicted ORF. Finally, microbial diversity studies led also to the discovery of a new extremely thermophilic bacterium, Calditerricola clavaformis sp.nov.

Au niveau des fonds océaniques, souvent considérés comme des déserts aux conditions de vie extrêmes, des oasis luxuriants de vie existent pourtant. Les sources hydrothermales et les suintements froids, principalement localisés au niveau des dorsales océaniques et des marges continentales, vont permettre le développement de communautés microbiennes et animales très particulières. Le Bassin de Guaymas, situé dans le Golfe de Californie (Mexique) présente la particularité de regrouper à la fois une zone de sources hydrothermales et une zone de suintements froids, situées à une soixantaine de kilomètres l’une de l’autre, et toutes deux recouvertes par une épaisse couche sédimentaire. Ces deux zones sont également colonisées par des étendues de bivalves, des buissons de vers tubicoles ainsi que de tapis microbiens blancs ou colorés comparables. Afin de mieux comprendre le fonctionnement global de ces deux types d’écosystèmes et notamment le rôle structurant des communautés microbiennes sédimentaires sur la répartition des différents assemblages de surface, les travaux entrepris dans cette thèse se proposaient d’étudier les communautés microbiennes sédimentaires associés à la zone de suintements froids (Marge de Sonora) et la zone de sources hydrothermales (Southern Trough) du Bassin de Guaymas. Pour cela, la diversité des communautés microbiennes (Bacteria et Archaea) de différents habitats caractérisés par une faune et des profils géochimiques particuliers, a été étudiée grâce à l’utilisation d’une technique de séquençage haut-débit, le pyroséquençage par la technique du 454, combinée à d’autres techniques comme le FISH ou la PCR quantitative. Cette étude a permis de déterminer que la structure et la diversité des communautés microbiennes dans ces sédiments étaient très spécifiques de ces environnements. Par ailleurs, les colonisateurs présents en surface des sédiments reflétaient des profils géochimiques et des communautés microbiennes très différentes au sein des sédiments. Dans les sédiments colonisés par les tapis microbiens, riches en méthane, les communautés microbiennes dominantes (ANME, Deltaproteobacteria…) utiliseraient notamment les émissions de méthane des couches sédimentaires profondes et produiraient d'importantes concentrations de sulfures, nécessaires à l’installation des communautés microbiennes thiotrophes de surface formant les tapis. Ces fortes concentrations en sulfure excluraient en revanche les communautés animales de ce périmètre. A contrario, dans les sédiments présentant de faibles concentrations en méthane et en sulfure, permettant l'installation d’assemblages faunistiques variés, les communautés microbiennes méthanotrophes anaérobies et productrices de sulfure étaient minoritaires. L'activité et le métabolisme de ces colonisateurs de surface pourraient par ailleurs permettre le développement des lignées microbiennes détectées dans ces habitats (MBG-D, Chloroflexi…). L'analyse des larges jeux de données obtenus au cours de cette étude nous a donc permis de mettre en évidence un système dynamique complexe fonctionnant en équilibre entre les communautés microbiennes sédimentaires, les organismes colonisant la surface du sédiment et la composition géochimique des eaux interstitielles. / Whereas the deep-sea environment is often considered to be a desert, hydrothermal vents andcold seeps provide “oases” of biological activity on the ocean floor. Vent and seep ecosystems support complex food webs based on microbial chemoautotrophic primary production. These hydrothermal vent and cold seeps ecosystems both release hydrocarbon- and sulfide-rich fluids,fueling various surface assemblages such as mat-forming giant bacteria or symbiont-bearinginvertebrates (e.g. bivalves, tubeworms). In the Guaymas Basin, the nearby presence at a few tens of kilometers of cold seeps and hydrothermal vents coupled with comparable sedimentary settings and depths offer a unique opportunity to assess and compare the microbial community composition of these ecosystems. Tobetter understand their overall functioning, we studied sedimentary microbial communities associated with cold seep and hydrothermal vent areas in the Guaymas Basin. The diversity of microbial communities inhabiting sediments was studied using high throughput sequencing (454pyrosequencing), combined with complementary approaches, such as FISH and quantitative PCR. This study reveals that sediments found in the Guaymas Basin were colonized by microbial communities typically found in these types of ecosystems. Our results revealed a high similarity between microbial communities composition associated with the cold seep and hydrothermal vent areas as a probable consequence of the sedimentary context. Nonetheless, thermophilic and hyperthermophilic lineages (e.g.: Thermodesulfobacteria, Desulfurococcales, etc) were exclusively identified in hydrothermally influenced sediments highlighting the strong influence of temperature gradients and other hydrothermally-related factors on microbial community composition. Furthermore, sediments populated by different surface assemblages show distinct porewater geochemistry features and are associated with distinct microbial communities. Indeed, in the sediments underlying microbial mats characterized by high methane porewater concentrations,microbial communities were dominated by anaerobic methane oxidizers (ANME), known to produce sulfide which provides high fluxes of sulfide to the seafloor. In contrast, sediment associated microbial communities underlying faunal assemblages were characterized by a lower biomass and lower methane porewater concentrations in sediments, limiting porewater sulfide concentrations. Without elevated and toxic sulfide concentrations, faunal assemblages can colonize the surface. Together, geochemical and microbial surveys indicate that porewater methane concentrations play an important role in the microbial community structure and subsequently in the establishment of the surface colonizers. Furthermore, presence and activity of the surface colonizers influence the underlying microbial communities probably because of modification of energy source availabilities. Finally, the existence of similar microbial populations between the two ecosystems also raises the question of their dispersal mechanisms. Our results support the hypothesis of a potential continuity among deep-sea ecosystems. In absence of physical borders, environmental conditions (temperature, specific compounds associated withhydrothermal fluids) might select specific and highly adapted microorganisms from the pool of microorganisms dispersed globally across the seafloor.

L'éventail sous-marin profond du Congo, situé sur la marge continentale Congo-Angolaise (côte Ouest Africaine, Océan Atlantique Equatorial Sud) représente un écosystème sédimentaire marin profond unique.Celui-ci est caractérisé par de forts apports en matière organique provenant du fleuve Congo, qui se déversent le long du canyon et au travers de systèmes chenal Jevées actuels jusque dans les zones les plus profondes (5 000 m) où se développe le système des lobes.L'objectif de cette thèse est d'étudier la distribution spatiale et la diversité phylogénétique et fonctionnelle des communautés archéennes et bactériennes en relation avec les caractéristiques et les contraintes de I'environnement.Cette étude a permis de mettre en évidence une distribution géographique régionale et locale des communautés microbiennes contraintes par la distance des différents lobes par rapport à l'embouchure du chenal. La distribution des communautés microbiennes est liée à la disponibilité en accepteurs et donneurs d'électrons issus de la diagénèse précoce de la matière organique. La composition et l'identité taxonomique de ces communautés microbiennes sont comparables aux communautés rencontrées dans des sédiments marins et des zones d'émission de fluides froids riches en méthane.Cette étude révèle également des densités cellulaires relativement élevées de bactéries méthanotrophes aérobies associées à différents habitats sédimentaires particuliers, colonisés par des bivalves Vesicomyidae, des tapis microbiens et des sédiments réduits caractéristiques des environnements d'émissions de fluides froids riches en méthane et hydrogène sulfuré. Ces communautés sont non seulement apparentées à celles rencontrées dans des habitats d'émissions de fluides froids, mais également à celles des habitats terrestres, malgré la distance ~ 1000 km des côtes Africaines.Les travaux menés au cours de cette thèse montrent l'intérêt des études pluridisciplinaires pour comprendre la diversité et le fonctionnement des écosystèmes dans les lobes terminaux du système turbiditique du Congo et apportent de nouvelles informations sur la diversité des microorganismes peu explorée dans les éventails sous-marins profonds. / The Congo deep sea fan, located in the Congo-Angola continental margin (West African coast, Equatorial South Atlantic Ocean) represents a unique deep-sea sedimentary ecosystem. It is characterized by high organic matter inputs from the Congo River, that flow along a canyon and through presently active channel system-lifted into the deeper areas (5 000 m) where the lobes system develops.The aim of this thesis is to study the spatial distribution as well as the phylogenetic and functional diversity of archaeal and bacterial communities in relation with environmental characteristics and constraints of the terminal lobes of the Congo deep see fan, one of the largest submarine fan systems in the world.This study highlights geographical distribution of microbial communities constrained by the distal and proximal distance of the different lobes from the Congo river's channel mouth as well as linked to the electron donor and acceptor availability from organic matter diagenesis. This study revealed quite high abundance of aerobic methane oxidizing bacteria cells at peculiar sedimentary habitats dominated by Vesicomyid bivalves, microbial mats and reduced sediments typical of cold-seep environments. These communities are not only related to the ones encountered in cold seeps, but also to the ones in terrestrial habitats despite an approximately distance of 1000 km offshore the African coast.This thesis underlines the interest of pluridisciplinary studies to understand the ecosystem diversity and functioning in the terminal lobes of the Congo turbiditic system and provides further insights into the underexplored microbial diversity from deep-sea fans.

Au niveau des marges continentales, et plus particulièrement dans des zones dites d'émissions de fluides froids, des communautés microbiennes et animales complexes se développent localement à la surface des sédiments. Ces communautés utilisent pour leur croissance des composés chimiques réduits (H2S, Méthane, CO2 ...), contenus dans un fluide à basse température, percolant à travers les sédiments et issus de phénomènes géologiques et de divers processus microbiens. Afin d'étudier la diversité des communautés microbiennes associées à ces écosystèmes ainsi que leur rôle dans l'environnement, et d'appréhender les paramètres environnementaux influençant la distribution et l'écophysiologie de ces communautés, des sédiments de surface (0-20 cm) mais également plus profonds (<9 mbsf) ont été prélevés au niveau de la Marge de Sonora. Les communautés microbiennes présentes ont été étudiées par diverses approches de biologie moléculaire, de mise en culture et de microscopie. Ce travail de recherche a permis : i) de déterminer la structure et la diversité des communautés microbiennes métaboliquement actives dans ces sédiments, ii) de mettre en évidence des écophysiologies différentes entre les acteurs du cycle du méthane (méthanogènes, ANMEs, SRB), prépondérant dans cet écosystème et iii) de découvrir la présence de nouvelles lignées et fonctions microbiennes dans les sédiments de zones d'émission de fluides froids des marges continentales. / At continental margins, and more particularly in cold seep areas, microbial and animal communities were locally detected at the surface of the sediments. These communities grow using reduced chemical compounds (H2S, Methane, COZ ...) contained in the percolated cold fluids and produced by both geological and microbial processes. ln order to study microbial community diversity in these ecosystems and their role in the environment as well as to understand the environmental factors influencing the distribution and ecophysiology of these communities, surface (0-20 cmbsf) but also deeper (<9 mbsf) sediments were collected at the Sonora Margin. Microbial communities have been studied using various molecular, cultural and microscopy approaches. This research allowed: i) to determine the structure and diversity of metabolically active microbial communities in sediments, ii) to highlight different ecophysiologies for methane cycling microorganisms (methanogens, ANME, SRB) and iii) to discover the presence of new microbial lineages and functions in the cold seeps sediments of the continental margins.