We applied culture-independent, next-generation sequencing (NGS) high throughput pyrosequencing, to characterize the microbial communities associated with near shore seawater in Broward County, FL. These waters flow over coral reef communities, which are part of the Florida reef tract, and are close to shore where bathers frequent. Through a close partnership with the NOAA FACE program, 38 total seawater samples were taken from 6 distinct locales -the Port Everglades and Hillsboro Inlets, Hollywood and Broward wastewater outfalls, and the associated reef waters-over the course of one year. Tagged 16S rRNA amplicons were used to generate longitudinal taxonomic profiles of marine bacteria and archaea for one year. 236,322 rRNA quality checked sequences with an average length of 250 base pairs were generated. Sequences were found to vary significantly due to seasonal effects, but depth showed no significant correlation. The most abundant taxa among these samples included Synechococcus, Pelagibacteraceae (SAR11), Bacteroidetes, various Proteobacteria, and Archaea, such as Thermoplasmata. Other taxa found, albeit in low numbers, were the Thiotrichales, and some members of which can indicate pollution, the Alteromonadales, a biofilm forming order. Inlet sequences were found to be significantly different from the outfall and reef communities by various analyses. Unifrac analysis of microbial beta diversity showed a significant clustering pattern for the inlet samples. Precipitation during the three days before and after sampling was low meaning there was little to no high terrestrial runoff during the sampling days. Higher levels of turbidity were seen at the inlet sites and significantly affected the growth of surface colonizing and biofilm forming bacterial families such at the Rhodobacteraceae and Flavobacteriaceae. This study represents one of the first to apply NGS analyses for a deep analysis of microbial community dynamics in these S. Florida waters.

Les épisodes de convection en milieu hauturier sont des processus physiques hivernaux récurrents, mais irréguliers, ayant un fort pouvoir perturbateur sur l’écosystème pélagique. Les principaux objectifs de ma thèse ont été d’étudier l’influence d’épisodes de convection en Méditerranée Nord Occidentale sur les cycles biogéochimiques (distribution et bilan des sels nutritifs) et d’évaluer leurs impacts sur le compartiment microbien (abondance, activité et diversité). Ces travaux reposent sur mon implication active dans les campagnes océanographiques CASCADE (mars 2011) et DeWEX (février et avril 2013) qui s’inscrivent dans le cadre du chantier Méditerranée Mistrals (WP3 et WP1 respectivement du programme MermEX). Nous avons estimé que les apports en sels nutritifs lors d’un seul phénomène de convection de "moyenne envergure" étaient équivalents aux apports annuels des rivières et des dépôts atmosphériques à l’échelle du golfe du Lion, et pourraient soutenir une production primaire nouvelle de l'ordre de 46 à 63 g C.m-2.a-1 (i.e. l'ordre de grandeur de la production nouvelle annuelle de la zone). Une approche satellitale nous a permis de suivre l’évolution de plusieurs épisodes de convection et de mettre en évidence un étroit couplage entre ce type de forçage physique et le développement de blooms phytoplanctoniques en Méditerranée Nord Occidentale. Pour aborder le rôle des microorganismes dans la régulation des cycles biogéochimiques en réponse à ces épisodes de convection, nous avons identifié l’influence relative des forçages physico-chimiques sur les changements de diversité des communautés microbiennes (bactéries et archées identifiées par pyroséquençage), ceci en relation avec leur activité de reminéralisation de la matière organique. Nous avons également utilisé les épisodes de convection pour évaluer la pertinence écologique des écotypes de SAR11, Marine group I et Marine group II, les 3 groupes taxonomiques les plus répandus et abondants en Méditerranée et dans tous les océans du monde. Ces travaux ont permis de proposer des scénarii cohérents de l'évolution potentielle des écosystèmes pélagiques en Méditerranée Nord Occidentale dans un contexte de changement climatique global. En effet, mon étude est une contribution à la compréhension de la réponse potentielle des écosystèmes pélagiques à la modification attendue de la fréquence et/ou de l'intensité des processus de convection. / Open-ocean convection episodes are recurrent winter physical processes, but irregular in intensity, with a strong disruptive effect on the pelagic ecosystem. My principal thesis objectives were to study the influence of the Northwestern Mediterranean convection on the biogeochemical cycles (nutrient distribution and assessment), and to evaluate their impacts on the microbial compartment (abundance, activity and diversity). This work was based on my active participation to the oceanographic cruises CASCADE (March 2011) and DeWEX (February and April 2013), which are incorporated in the framework of Mistral Mediterranean project (respectively in the WP3 and WP1 of MermEX program). We estimated that the nutrient supply by a single convection episode of “average-scale” was equivalent to the annual riverine discharges and atmospheric deposition in the golf of Lion. This could sustain a new primary production from 46 to 63 g C.m-2.a-1 (i.e. the annual new primary production rate of this area). A remote sensing approach allowed us to follow open-ocean convection episodes evolution, and to highlight the close relationship between this kind of physical forcing and the phytoplanktonic bloom development in the Northwestern Mediterranean. During the study of the impact of convection episodes on the role of microorganisms in the biogeochemical cycles regulation, we determined the influence of physical parameters and environmental factors on the modification of the microbial community diversity (pyrosequencing of Bacteria and Archaea), in relation with organic matter mineralization. Besides, we used convection mixing as a model to evaluate the ecological pertinence of SAR11, Marine group I and Marine Group II ecotypes, 3 taxonomic groups the most widespread and abundant in Mediterranean and in all the oceans. In a climate change context, my works allowed us to propose different coherent scenarios of the potential evolution of the Northwestern Mediterranean pelagic ecosystems. My study contribute to the understanding of the pelagic ecosystem evolution with the predictable modifications in frequency and/or intensity of open-ocean convection processes.

Translation is a crucial factor in determining the rate of protein biosynthesis; for this reason, bacterial species typically evolve features to improve translation efficiency. Biosynthesis is a finely tuned cellular process aimed at providing the cell with an appropriate amount of proteins and RNAs to fulfill all of its metabolic functions. A key bacterial feature for faster recognition of the start codon on mRNA is the binding between the anti-Shine-Dalgarno (aSD) sequence on prokaryotic ribosomes at the 3’ end of the small subunit (SSU) 16S rRNA and Shine-Dalgarno (SD) sequence, a purine-rich sequence located upstream of the start codon in the mRNA. This binding helps to facilitate positioning of initiation codon at the ribosomal P site. This pairing, as well as factors such as the location of aSD binding relative to the start codon and the sequence of the aSD motif can heavily influence translation efficiency. The objective of this thesis is to understand the SD-aSD interactions and how changes in aSD sequences can affect SD sequences in addition to the underlying impact these changes have on the translational efficiency of prokaryotes. In chapter two, we hypothesized that differences in the prevalence of SD motifs between B. subtilis and E. coli arise as a result of changes in the free 3' end of 16S rRNA which may have led B. subtilis and E. coli to evolve differently. E. coli is expected to be more amenable to the acquisition of SD motifs that do not perfectly correspond with its free 3’ 16S rRNA end than B. subtilis. Further, we proposed that the evolutionary divergence of these upstream sequences may be exacerbated in B. subtilis by the absence of a functional S1 protein. Based on the differences between E. coli and B. subtilis, we were able to identify SD motifs that can only perfectly base pair in one of the two species and are expected to work well in one species, but not the other. Furthermore, we determine the frequency and proportion of these specific SD motifs that are expected to be preferentially present in one of the two species. Our motif detection is in keeping with the expectation that the predicted five categories of SD that are associated with B. subtilis and are expected to be less efficient in E. coli exhibit greater usage in the former than latter. Similarly, the predicted category of SD motifs associated with the E. coli 16S rRNA 3’ end is used more frequently in E. coli.Across prokaryote genomes, translation initiation efficiency varies due to codon usage differences whereas among genes, translation initiation varies because different genes vary in SD strength and location. In chapter 3 we hypothesized that there is differential translation initiation between 16 archaeal and 26 bacterial genomes. Translation initiation was found to be more efficient in Gram-positive than in Gram-negative bacteria and also more efficient in Euryarchaeota than in Crenarchaeota. We assessed the efficiency of translation initiation by measuring: i) the SD sequence’s strength and position and ii) the stability of the secondary structure flanking the start codon, which both affect accessibility of the start codon

Chez les Archaea, tous les processus informationnels, transcription incluse, sont effectués par des protéines proches de celles des Eukarya. Alors que la machinerie transcriptionnelle des archées a été bien caractérisée structurellement et fonctionnellement, très peu d'informations sont disponibles sur la régulation de son activité. En travaillant à la fois avec des modèles cellulaires (crénarchée hyperthermophile Sulfolobus islandicus) et viraux, nous avons pu réaliser une étude approfondie de trois régulateurs transcriptionnels et mieux comprendre les mécanismes de régulation transcriptionnelle chez les archées. Au cours de cette thèse, deux régulateurs viraux, SvtR et AFV1p06, et un régulateur cellulaire, Sta1, ont été étudiés. Concernant SvtR, codé par le virus SIRV1 qui infecte S. islandicus, nous avons poursuivi la recherche précédente, qui avait permis de déterminer sa structure et sa fonction, en nous focalisant sur la caractérisation de l'ensemble de ses cibles dans le génome viral et sur l'étude de son mécanisme d'action. Pour cela, la séquence du site consensus reconnu par SvtR a été établie à l'aide de la mutagénèse systématique d'un de ses sites déjà caractérisés. Ce site est présent dans les promoteurs de dix gènes de SIRV1 montrant que SvtR pourrait réguler l'activité de plus de 20% des gènes viraux. Ses cibles incluent tous les gènes codant pour les protéines de la capside virale. L'analyse fonctionnelle réalisée sur une partie des sites de liaison de SvtR a permis de démontrer qu'il s'agit d'un régulateur polyvalent agissant, selon la cible, en tant que activateur ou répresseur transcriptionnel. En prenant comme modèle le promoteur du gène gp30, nous avons pu démontrer par plusieurs approches que la régulation de ce promoteur inclut la polymérisation de la protéine depuis son site de liaison principal jusqu’à la TATA-box du promoteur. Il s’agit d’un mécanisme de régulation de transcription à distance original et inédit chez les archées. La structure de l’autre régulateur viral étudié, AFV1p06, codé par le virus AFV1 qui infecte Acidianus hospitalis, révèle la présence au sein de cette protéine d’un domaine en doigt de zinc C2H2, considéré jusqu’à présent comme spécifique des eucaryotes. Nous avons démontré la capacité d’AFV1p06 à se lier à l’ADN avec une préférence pour les régions riches en GC. AFV1p06 est la première DNA binding protéine d’archées de ce type caractérisée in vitro. Le troisième régulateur transcriptionnel, Sta1, est codé par le génome des Sulfolobales. Il est capable d’activer la transcription de gènes viraux, ainsi que du gène chromosomique radA en réponse à un dommage à l’ADN. Pour comprendre son rôle dans la cellule, nous avons tenté de réaliser, sans succès, un mutant knock-out du gène sta1 de S. islandicus RYE15A, ce qui indique que le gène sta1 serait un gène essentiel. L’étude de l’interaction hôte-virus sur le modèle S. islandicus LAL14/1 est un des sujets principaux de notre laboratoire. Le séquençage du génome de cette souche a ouvert la voie pour établir un système génétique. Plusieurs mutants KO de LAL14/1 (pyrEF-; ΔCRISPR1) ont été construits. L’impossibilité d’inactiver un autre gène candidat, topR2, codant pour une réverse gyrase, indique qu’il s’agit d’un gène essentiel. La construction du mutant ΔCRISPR1 est la première étape pour obtenir un dérivé de LAL14/1 dépourvu de système CRISPR, un mutant très utile pour mieux comprendre l’implication des CRISPRs dans le phénotype de résistance de LA14/1 au virus SIRV1 et leur rôle chez les archées en général. L’ensemble des résultats de cette thèse contribue à la meilleure compréhension du fonctionnement moléculaire chez les archées et leurs virus. / In Archaea cells all information processes, including transcription, are performed by the Eukarya-like proteins. While the transcriptional machinery of archaea has been well characterized structurally and functionally, very few information concerning the regulation of its activity is available. By working with both cell (crenarchaeota Sulfolobus islandicus) and viral models, we have performed an in-depth study of three transcriptional regulators: two viral regulators, SvtR and AFV1p06, and a cell regulator Sta1. The obtained results allow to better understand the mechanisms of transcriptional regulation in archaea. Concerning the protein SvtR encoded by the virus SIRV1 that infects S. islandicus, we continued the research project that had identified its structure and function. We were focused on identification and characterization of all of SvtR targets in the viral genome and on the study of the mechanisms of regulation. For this purpose, we established the sequence of consensus site recognized by SvtR using systematic mutagenesis of one of its previously characterized binding sites. This site is present in the promoters of 10 genes meaning that SvtR may regulate the activity of more than 20% of SIRV1 genes. Its targets include all known genes encoding proteins of the viral capsid. Functional analysis of SvtR has demonstrated that, according to the target, this protein is a versatile regulator acting as transcriptional activator or repressor. Taking as a model the gp30 gene promoter, we demonstrated by several approaches that regulation of this promoter includes the polymerization of the protein from its primary binding site towards the TATA-box. Such a mechanism of transcriptional regulation is new in archaea. Second, we performed a structural analysis of the protein AFV1p06 encoded by the virus AFV1 which infects Acidianus hospitalis. The structural analysis of AFV1p06 revealed the presence of a C2H2 zinc finger domain regarded hitherto as specific to eukaryotes. We demonstrated that AFV1p06 has ability to bind specifically to DNA sequences rich in GC. AFV1p06 is the first archaeal DNA binding protein with zinc finger domain characterized in vitro. The third transcriptional regulator, Sta1 is encoded by the genome of Sulfolobales. The protein RadA is able to activate the transcription of viral as well as chromosomal genes in response to DNA damage. To understand its role in the cell, we attempted, without success, to knockout the sta1 gene in S. islandicus RYE15A. This result indicates that the sta1 gene is probably essential. The strain S. islandicus LAL14 /1 is a model strain to study host-virus interaction in archaea. The sequencing of the genome of this strain opened the way to establish a genetic system for this model and allowed us to construct knockout mutants for several LAL14/1 genes (pyrEF-; ΔCRISPR1). Our unsuccessful attempts to inactivate topR2, another candidate gene encoding reverse gyrase indicate that topR2 function could be essential. The construction of the ΔCRISPR1 mutant opens the way to obtain a derivative of LAL14/1 entirely lacking the CRISPR system. Such a mutant will be very useful for the future studies of function and role of CRISPRs in archaea in general but also will allow to verify the hypothesis of involvement of CRISPRs in the phenotype of resistance of LA14/1 to SIRV1. All the results of this thesis contribute to an improved understanding of molecular mechanisms in archaeal cells and their viruses.

Im Rahmen des BioPara Netzwerkes: „Gesamterfassung von biochemischen und metagenomischen Parametern in Biogasanlagen und deren Korrelation zur Produkteffizienz“ erfolgte die in dieser Arbeit durchgeführte Isolierung und Charakterisierung von prozessrelevanten methanogenen Archaeen aus frischen Schlammproben einer kommerziellen Biogasanlage. Insgesamt wurden sechs verschiedene Arten der Gattungen Methanobacterium, Methanoculleus sowie Methanosarcina isoliert und als Reinkultur kultiviert. Darunter wurden mit Methanobacterium aggregans und Methanosarcina flavescens bis dahin unbekannte Spezies identifiziert und umfassend charakterisiert. Außerdem erfolgte mit Methanoculleus bourgensis und M. flavescens die Anreicherung der beiden abundantesten methanoarchaealen Mikroorganismen des beprobten Biogasreaktors. Weiterführend wurde ein anaerobes Testsystem etabliert, um die Methanproduktivität der analysierten Biogasanlagen im Labormaßstab abzubilden. Mit diesem Testsystem wurden die hydrogenotrophen und methylotrophen Wege der Methanogenese als potentiell raten-limitierende Schritte des Biogasprozesses in NawaRo-Anlagen analysiert. Die hydrogenotrophe Methanogenese verlief in allen beprobten Biogasreaktoren nicht an der maximalen Kapazitätsgrenze und stellte daher keinen raten-limitierenden Schritt dar. Weiterführend wurde die methylotrophe Methanogenese bei hohen Methanosarcina-Abundanzen als nicht-ratenlimitierender Prozess identifiziert und durch die Zugabe von Isolat E03.2 zu inaktivierten Schlammproben der untersuchten Biogasanlagen, ergaben sich Hinweise auf die Anwesenheit von Methoxygruppen. Aufgrund der fundamentalen Bedeutung des Wasserstoff-Stoffwechsels in NawaRo-Biogasanlagen, wurden u.a. Wasserstoff-abhängige Gesamt- sowie methanoarchaeale Enzymreaktionen aus frischen Schlammproben quantifiziert und als mögliche Parameter zur Prozessüberwachung analysiert. Dabei konnte eine positive Korrelation der Gesamt-Hydrogenaseaktivität mit der Methanproduktivität in den untersuchten Biogasanlagen gezeigt werden. Die Gesamt-Hydrogenaseaktivität ist somit einen aussagekräftiger Parameter zur Prozesskontrolle.

Gewässersedimente stellen für den Stoffkreislauf ein wichtiges Ökosystem dar. Durch die Stoffwechselleistungen einer komplexen mikrobiellen Lebensgemeinschaft wird sowohl das Sediment selbst, sein Interstitialwasser, das überstehende Freiwasser als auch die Atmosphäre und die darin lebenden Mikro- und Makroorganismen beeinflusst. Die grundlegenden chemischen Prozesse im Sediment sind bereits gut untersucht. Auch sind die mikrobiellen Großgruppen im Sediment bekannt. Im Hinblick auf die Diversität der Mikroorganismen, insbesondere in Süßwassersedimenten, gibt es noch Forschungsbedarf. Das Auengebiet des Nationalparks „Unteres Odertal“ stellt durch seine jährlich kontrollierten Flutungen ein interessantes und wegen seiner Vielfalt verschiedenartiger Gewässertypen einen idealen Ort zur Untersuchung mikrobieller Biozönosen in Gewässersedimenten dar. Ziel dieser Arbeit war es, eine erste Charakterisierung der mikrobiellen Biozönose in den Gewässersedimenten des Auennationalparks „Unteres Odertal“ durchzuführen und mit den Ergebnissen der Talsperre Saidenbach und der Elbaue bei Dornburg zu vergleichen. Hierfür kam ein breites Spektrum an Methoden zum Einsatz, das klassische mikrobiologische Methoden und molekularbiologische Techniken umfasste. Die Analysen sollten dabei über mehrere Jahre hinweg erfolgen, um die Variabilität der mikrobiellen Populationen in Abhängigkeit von sich ändernden Umweltparametern zu erfassen. Die Charakterisierung der Umweltparameter erfolgte durch Messungen chemisch-physikalischer Parameter im Freiwasser, Sediment und seinem Interstitialwasser. Die untersuchten Probenahmestellen unterschieden sich in ihren chemischen Profilen. Damit waren Unterschiede in der mikrobiellen Zusammensetzung dieser Probenahmestellen zu erwarten. Die Identifizierung und Quantifizierung der Prokaryoten mittels CARD FISH wies auf eine hohe Abundanz von Alpha- und Beta-Proteobakterien sowie Bacteroidetes, Planctomycetes, Verrucomicrobia und Chloroflexi in den Proben des Odertals hin. Die Proben Dornburgs wurden von Planctomyceten und die Proben des Haselbachs von Alpha-Proteobakterien oder Verrucomicrobien dominiert. Obwohl die Hybridisierbarkeit der Proben gut war, wurde mit den angewendeten Sonden in der Summe weniger als 50 % der Gesamtzellzahl erfasst. Die Anwendung der ARISA Methode zeigte strukturelle Unterschiede zwischen den untersuchten Proben in Abhängigkeit von der Sedimenttiefe und dem Probenahmemonat. Die größte Ähnlichkeit besaßen die Biozönosen des Anglerteichs und des Bogengrabens. Ein Einfluss der Flutung auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Biozönose konnte deutlich gezeigt werden. Die Identifikation der Eubakterien in den Proben des Odertals durch die Erstellung von 16S rDNA Eubakterien Klonbanken ergab eine Dominanz der Beta-Proteobakterien und Bacteroidetes und wies auf die Bedeutung der Delta-Proteobakterien hin. Die eubakterielle Lebensgemeinschaft im Haselbach wurde von Alpha-Proteobakterien und Acidobakterien dominiert. Variabilitäten im Zusammenhang mit dem Probenahmedatum und der Flutung des Odertals konnten gezeigt werden. Die größte eubakterielle Biodiversität wurde im Sediment der Oder-Zollstation (April 2007) geschätzt. Die Anwendung der Pyrosequenzierung ergab eine hohe Biodiversität in allen Proben und bestätigte die Dominanz der Beta-Proteobakterien im Anglerteich. Im Bogengraben dominierten die Delta-Proteobakterien knapp vor den Beta-Proteobakterien. In der Oder waren neben den Beta-Proteobakterien die Bacteroidetes abundanter. Die genannten Taxa dominierten auch die Bibliotheken der Talsperre Saidenbach. Die höchste Biodiversität wurde für die Bibliothek des Bogengrabens angegeben, dessen Lebensgemeinschaft die meisten Gemeinsamkeiten mit der Bibliothek des Anglerteichs aufwies. Sulfatreduzierende Bakterien (SRB) wurden durch die Sequenzierung von Klonbanken und die Anwendung der Fingerprintmethoden T-RFLP und DGGE charakterisiert. Die hohe Biodiversität der SRB konnte je nach erstellter Klonbank unterschiedlich gut beschrieben werden. Neben zahlreichen nicht identifizierbaren Vertretern waren Desulfobacterales und Clostridiales abundant. Die größte Diversität wurde wiederum in der Bibliothek des Bogengrabens nachgewiesen. Die Zusammensetzung der SRB in den Klonbanken variierte in Abhängigkeit der Parameter gelöster reaktiver Phosphor (SRP), organische Substanz, DOC und Nitrat. Mit T-RFLP und DGGE konnte eine sedimenttiefenabhängige Variabilität der SRB festgestellt werden, die sich zwischen den Proben Anglerteich und Bogengraben am meisten glich. Mit der DGGE erfolgte eine erste zeitabhängige Untersuchung, die deutlich verschiedene Biozönosen zwischen der Talsperre Saidenbach und den Proben des Nationalparks „Unteres Odertal“ zeigte. Das enorm hohe Bandenspektrum erschwerte die Analyse der zeitlichen Variabilität. Die Nitrat-Stickstoffkonzentrationen waren in den Sedimenten mit zunehmender Tiefe unverändert niedrig, was sich in einer mit T-RFLP untersuchten niedrigen Diversität der Denitrifikanten wiederspiegelte, die nur wenige vertikale oder zeitliche Varianzen zeigten. Die Anwendung von Kultivierungsversuchen ermöglichte die Isolation und eine erste Charakterisierung von Cyano- und Eisenbakterien. Insbesondere fädige Cyanobakterien der Gattungen Leptolyngbya, Nostoc und Pseudanabaena wiesen ein interessantes Sekundärmetabolitspektrum auf. Die Untersuchung erster Extrakte (Firma Cyano Biotech) wies auf biologisch aktive Substanzen hin. Die Untersuchung hygienisch relevanter Mikroorganismen zeigte ein höheres Vorkommen coliformer Bakterien im Sediment der Oder-Zollstation als im Anglerteich oder Bogengraben. Neben den Eubakterien wurde die Lebensgemeinschaft der Archaea durch Sequenzierung generierter Klonbanken identifiziert sowie die vertikale und temporale Variabilität ihrer Struktur untersucht (T-RFLP, DGGE). Die für aquatische Sedimente vergleichsweise hohe archaeale Diversität unterschied sich enorm zwischen den Klonbibliotheken. Die höchste Diversität wurde in der Klonbank der Probe Dornburgs festgestellt, die neben Vertretern des „Rice Clusters V“ (RC-V) überwiegend aus Crenarchaea bestand. RC-V Archaea dominierten, bis auf die Oder-Zollstation, alle generierten Bibliotheken. Methanogene Archaea waren besonders abundant in der Bibliothek der Oder-Zollstation (Methanomicrobiaceae, Methanosaetaceae) und des Haselbachs (Methanospirillaceae). Einflussnehmende Umweltfaktoren waren Sulfat (Dornburg), Nitrat (Entnahmestelle), DIC (Anglerteich), Sauerstoff (Haselbach) und Ammonium (Oder-Zollstation). Die T-RFLP Analyse zeigte die methanogenen Archaea Methanosarcinales/Methanomicrobiales (Msm) als besonders abundant an. Eine erwartete tiefenabhängige Varianz konnte mit T-RFLP gezeigt werden. Die Unterschiede zwischen den Probenahmestellen waren jedoch deutlicher und zeigten anhand der DGGE Analyse ein breiteres Msm Bandenspektrum für den Anglerteich und Bogengraben im Vergleich zur Oder-Zollstation und zum Haselbach. Die zeitabhängige Variabilität der Archaea und Msm konnte mit T-RFLP und DGGE gezeigt werden. Der Einfluss der Flutung war im Vergleich zu allen anderen Probenahmedaten nicht so ausschlaggebend wie erwartet. Insgesamt zeigen die Ergebnisse eine hohe Biodiversität der Mikroorganismen im Nationalpark Unteres Odertal. Die Flutung hatte insbesondere auf die Eubakterien einen großen Einfluss. Zeitliche Variabilität der Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften der Prokaryoten lässt sich im Odertal nicht mit einer Jahreszeit in Zusammenhang bringen. Hingegen sind die mikrobiellen Biozönosen im Haselbach nachweislich von den wechselnden Zirkulationsphasen beeinflusst. Die hier verwendeten Methoden sind zur Charakterisierung mikrobieller Biozönosen in der Umweltmikrobiologie weit verbreitet. Die Anwendung der neuen Pyrosequenzierungsmethode ermöglichte trotz enormer Anzahl analysierter Sequenzen keine vollständige Erfassung der hohen Biodiversität, aber durch das Fehlen des Klonierungsschrittes wurde eine Fehlerursache in der Darstellung der realen Biozönose ausgeschlossen. Unstimmigkeiten in den Ergebnissen der verschiedenen Experimente beruhen meist auf methodischen Limitationen. Die DNA Isolationsmethode, die Vorauswahl von Primern, die bevorzugte Amplifikation, die allen PCR-basierten Methoden zu Grunde liegen, verschieben die reale Darstellung der Struktur einer Biozönose. Die fehlende Aussagekraft über die Aktivität der Mikroorganismen durch DNA basierte Analysen kann durch die Beobachtung der zeitlichen Änderungen ihrer Abundanz reduziert werden. Erste einflussnehmende Umweltparameter konnten ermittelt werden. Zusätzliche Analysen weiterer Elektronenakzeptoren über einen längeren Zeitraum sind jedoch nötig, um eine hinreichend sichere Aussage treffen zu können.

Une cellule est soumise à différents stimuli internes et externes. Pour remplir ses fonctions, elle doit donc s’adapter rapidement. Cela implique une régulation fine de l’expression génique. Celle-ci s’effectue au niveau transcriptionnel, mais également au niveau traductionnel. La traduction comprend trois phases : le démarrage, l’allongement et la terminaison. C’est au cours du démarrage de la traduction que s’effectue la sélection du codon de démarrage et donc le choix du cadre de lecture de l’ARNm. D’un point de vue cinétique, le démarrage de la traduction est l’étape limitante. Ainsi, il apparait comme une cible privilégiée pour le contrôle traductionnel.Chez les archées, le démarrage de la traduction met en jeu un complexe macromoléculaire formé de la petite sous-unité du ribosome, d’un ARNm, d’un ARN de transfert initiateur méthionylé (Met-ARNtiMet) et de trois facteurs de démarrage de la traduction (aIF1, aIF1A et aIF2). De manière intéressante, ces trois facteurs de démarrage ont chacun un orthologue eucaryote.Les ARNti archées et eucaryotes possèdent une paire de bases très conservée A1-U72, au sommet de la tige acceptrice. Cette paire de base a été montrée importante pour la discrimination des ARNt initiateurs et élongateurs. De plus, des travaux suggèrent l’importance de la géométrie de la paire A1-U72 pour l’identité initiatrice de ces ARNts. Cependant, au début de ma thèse, aucune donnée structurale n’était disponible pour expliquer comment les caractéristiques de la paire A1-U72 participaient à la sélection de l’ARNt initiateur. Dans un premier temps, mon travail de thèse a consisté en la construction d’une souche bactérienne d’E.coli utilisant comme seul source d’ARNti un variant d’ARNt initiateur bactérien (ARNtfMet) possédant une paire de base A1-U72 (ARNtfMetA1-U72). L’utilisation de cette souche nous a permis d’obtenir de grandes quantités d’ARNtfMetA1-U72 purifié. De plus, la structure cristallographique de cet ARNtA1-U72 a pu être déterminée à 2.8 Å de résolution. Un arrangement inhabituel des bases A1 et U72 a été observé.Tous les acteurs du démarrage de la traduction de l’archée P. abyssi étant disponibles au laboratoire, une étude du complexe de démarrage de la traduction archée par cryo-microscopie électronique a pu être réalisée. L’étude a permis d’identifier deux conformations de l’ARNti dans le complexe de démarrage, IC0-Premote (5.3 Å de résolution) et IC1-Pin (7.5 Å de résolution). Ces deux conformations permettent de proposer un modèle pour l’accommodation de l’ARNt initiateur lors de l’appariement au codon de démarrage.Finalement, je me suis également intéressée au rôle du facteur aIF1. La disponibilité de structures 3D et de modèles d’assemblage, ainsi que les alignements des séquences aIF1 d’archées ont permis de proposer des régions ou acides aminés pouvant être impliqués dans la liaison au ribosome et/ou dans la sélection des ARNt initiateurs lors de la formation du complexe de démarrage. Afin de pouvoir étudier l’implication de ces régions ou acides aminés, j’ai mis au point une méthode d’étude de la liaison d’aIF1 à la petite sous-unité du ribosome par anisotropie de fluorescence. Cette étude met en évidence deux résidus basiques d’aIF1 impliqués dans la liaison au ribosome. D’autre part, les rôles d’aIF1 dans la sélection du codon de démarrage de la traduction et dans la stabilisation du complexe de démarrage sur l’ARNm sont étudiés par la méthode d’empreinte du ribosome ou toeprint. / A cell is subjected to different internal and external stimuli and must adapt quickly to fulfill its functions. This involves a fine regulation of gene expression. This occurs at the transcriptional level, but also at the translational level. Translation has three phases: initiation, elongation and termination. Selection of the start codon and therefore the choice of the mRNA reading frame is performed during translation initiation. From a kinetic point of view, translation initiation is the rate limiting step. Thus, it appears as a prime target for translational control.In archaea, initiation of translation involves a macromolecular complex containing the small subunit of the ribosome, mRNA, an initiator methionyl tRNA (Met-tRNAiMet) and three initiation factors (aIF1, aIF1A and aIF2). Interestingly, each of three initiation factors has an ortholog in eukaryotes.Archaeal and eukaryotic tRNAi have highly conserved bases A1-U72, at the extremity of the acceptor stem. This base pair was shown to be important for discrimination of initiator tRNAs from elongator tRNAs. In addition, other studies suggest the importance of the geometry of the A1-U72 pair for the initiator identity of those tRNAs. At the beginning of my thesis, no structural information was available to explain how the characteristics of the A1-U72 pair were involved in the selection of the initiator tRNA. At first, my thesis work involved the construction of an E. coli strain using as only source of tRNAi, a bacterial variant of tRNA initiator (tRNAfMet) having a base pair A1-U72 (tRNAfMetA1-U72). The use of this strain allowed us to obtain large quantities of purified tRNAfMetA1-U72. In addition, the crystal structure of this tRNAfMetA1-U72 has been determined at 2.8 Å of resolution. An unusual arrangement of bases A1 and U72 was observed.All archaeal translation initiation actors being available in the laboratory, a study of the archeal translation initiation complex by cryo-electron microscopy was achieved. The study identified two conformations of the tRNAi. In the first complex, both conformations (IC0-Premote (5.3 Å resolution) and IC1-Pin (7.5 Å resolution)) allowed us to propose a model for the accommodation of the initiator tRNA during start codon recognition.Finally, I was also interested in the role of the aIF1 factor. Availability of 3D structures, assembly models and alignments of the archeal aIF1 sequences allowed us to identify amino acids or regions that could be involved in ribosome binding and/or in the selection of initiator tRNA. In order to study the involvement of these regions, I have developed a method to study the binding of aIF1 to the small ribosomal subunit using fluorescence anisotropy. This study highlights two basic residues of aIF1 involved in binding to the ribosome. On the other hand, the roles of aIF1 in the selection of the start codon and in the stabilization of initiation complex on the mRNA were studied by the ribosome footprint method also called « toeprint ».

Anaerobic Digestion (AD) is an essential component in wastewater treatment to recover energy from waste and deals with sludge management issues effectively. AD is a treatment process that converts organic matter to methane and carbon dioxide with multi-step biological reactions. Methanogenesis, the subprocess of AD that produces methane, is an important indicator of the stability of AD and is influenced by pH, temperature, ammonia, volatile fatty acids (VFAs), and solids concentrations among other factors. Ammonia is an essential nutrient for methanogenic bacteria but at certain ammonia concentrations and pH levels, ammonia is said to be a toxicant for methanogenic archaea. Substrates that are high in ammonia content can include those high in protein, such as food waste, which can be inhibitory to methanogens in the digestion process. Thickened waste activated sludge (TWAS) also contains a large amount of nitrogen with its higher solids concentration, promoting methane production. VFAs are produced during acidogenesis and they can negatively affect methanogenic archaea. High organic loading rates into AD can lead to an accumulation of VFAs and thus inhibition of methanogenic activity. Even with well-known inhibitory effects of ammonia and VFAs on methanogenesis, there are limited tools available for modelling these inhibitions, especially when evaluating diverse compositions of substrate. The objectives of this research work are to experiment for various pairings of pH, ammonia, and acetate levels using batch reactors and to quantify the inhibition on the overall methane production using an AD-based model focused on biological reactions. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第24638号 / 工博第5144号 / 新制||工||1982(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科合成・生物化学専攻 / (主査)教授 跡見 晴幸, 教授 森 泰生, 教授 浜地 格 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

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