Die Effizienz von Biogasreaktoren hängt im wesentlichen Maße von der Substratverwertung durch die beteiligte Mikroflora ab. Die genaue Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft ist jedoch bislang nur oberflächlich charakterisiert. In dieser Studie wird daher eine Übersicht über die mikrobielle Diversität in verschiedenen Biogasreaktorentypen (Rührkesselreaktor, Leach-bed-Reaktor, Festbett-Anaerobfilter) während der Fermentation verschiedener pflanzlicher Substrate (Mais-, Rüben-, Triticum-Ganzpflanzensilage, teilweise in Kofermentation mit Rindergülle) gegeben. Die Charakterisierung der Mikrobiologie erfolgte mittels der Entwicklung und nachfolgenden bioinformatischen Analyse von 16S rDNA Bibliotheken. Es wurden insgesamt sechs 16S rDNA Bibliotheken konstruiert. Insgesamt umfassten diese sechs 16S rDNA Bibliotheken 627 Klone. Mittels der zugehörigen fingerprint-Muster (amplified rDNA restriction analysis, ARDRA) wurden innerhalb der sechs 16S rDNA Bibliotheken 223 taxonomische Gruppen (operational taxonomic units, OTU) detektiert. Zur Erfassung der Archaea wurden 402 Klone analysiert. Für die Erfassung der Bacteria wurden 283 Klone untersucht. Damit wurden 114 Archaea OTU sowie 109 Bacteria OTU detektiert. Die Dominanz von hydrogenotrophen Methanbildnern in den Archaeaspezifischen 16S rDNA Bibliotheken sowie deren große Diversität sind Indizien für eine verstärkte Bildung von Methan durch Oxidation von CO2. In diesem Falle würde die Verwertung des Acetats überwiegend durch syntrophe Bacteria erfolgen. Die Analyse der Diversität innerhalb der Domäne Bacteria ergab für den Rührkesselreaktor bei der Kofermentation von Maissilage und Gülle im Normalzustand eine hohe Diversität unter den Vertretern der Phyla Firmicutes mit dem Genus Clostridium. / The efficiency of biogas reactors depends on the substrate utilisation by the involved microbial community. However, the exact composition of the microbial biocoenosis was rudimental characterized. In this study an overview of the microbial diversity in different anaerobic biogas reactor types (completly stirred tank reactor, leach bed reactor, fixed bed anaerobic filter) is given for the fermentation of different substrates (corn-, carrots-, triticale whole crop silage as renewable raw materials, partly in co-fermentation with cattle liquid manure). The characterisation of the microbial community was conducted via the construction of 16S rDNA libraries for both, methanogenic Archaea and fermentative Bacteria. Individual taxonomic groups within the 16S rDNA libraries were determined by means of amplified rDNA restriction analysis (ARDRA). The taxonomic classification of these groups was performed via a phylogenetic analysis of representative 16S rDNA sequences. In total six 16S rDNA libraries with 627 clones were developed. Together 223 taxonomic groups were detected; from these 114 was assigned to the domain Archaea and further 109 was assigned to the domain Bacteria. Within the examined biogas reactors a high diversity was found within the hydrogenotrophic methane producing Archaea, acetotrophic methane producing Archaea appears only with a comparatively small diversity. From the domain Bacteria fermentative species of phylum Firmicutes especially of the genus Clostridium were found to be dominant in the microbial community.

L’analyse du microbiote oral et de son évolution séculaire se fait principalement à partir de l’analyse du tartre dentaire ancien des populations passées et du biofilm dentaire des populations modernes. Nous avons dans un premier temps fait le point des connaissances sur la paléomicrobiologie des bactéries et des archaea contenues dans le tartre dentaire et montré que les archaea faisaient partie du microbiote oral chez l'homme. Dans la deuxième partie, nous avons mis en évidence le répertoire des archaea méthanogènes vivant dans la cavité orale par la culture (une nouvelle espèce Methanobrevibacter massiliense, Methanobrevibacter smithii et Methanobrevibacter oralis). La prévalence de ces archaea était significativement plus élevée chez les patients atteints de parodontite que chez les personnes contrôles. Ensuite, nous avons développé une méthode de génotypage Multispacer Sequence Typing pour typer M. oralis et M. smithii et révélé différents génotypes. Enfin, nous avons analysé le répertoire des archaea méthanogènes dans des échantillons de tartre dentaire ancien datant du 14ème au 19ème siècle. La prévalence et la diversité des archaea méthanogènes dans la cavité orale ont diminué significativement au cours des sept derniers siècles. Des archaea méthanogènes ont été retrouvées dans 75% des prélèvements de tartre dentaire (Candidatus M. massiliense à 44,6%, M. oralis à 19,6%, Methanomassiliicoccus luminyensis-like à 12,5%, Candidatus Nitrososphaera evergladensis-like dans un prélèvement et Methanoculleus bourgensis dans un autre prélèvement). Un prélèvement de tartre positif pour Candidatus M. massiliense a été documenté par hybridation in situ en fluorescence. / The analyses of oral microbiome and its secular evolution mainly use dental calculus in past populations and dental plaque in modern populations. In our thesis, we initially reviewed the knowledge actual about bacteria and archaea paleomicrobiology of the dental calculus. The review disclosed that archaea taked part in the secular core-microbiota in past and modern populations. In the second work, we demonstrated the repertoire of methanogenic archaea currently living in the oral cavity using culture-based approach and succeeded in isolating for the first time a new species named Methanobrevibacter massiliense in addition to Methanobrevibacter smithii and Methanobrevibacter oralis from dental plaque in periodontitis patients. This work showed that the prevalence of methanogens was significantly higher in periodontitis patients than in controls. Some methanogenic archaea were involved in periodontitis. Then, we developed Multispacer Sequence Typing to evaluate M. oralis and M. smithii and revealed different genetic variants in these archaea. Finally, we examined the repertory of methanogenic archaea in ancient dental calculus dating from the 14th to the 19th century. The prevalence and diversity of methanogenic archaea in the oral cavity decreased significantly during the last seven centuries. Methanogenic archaea were found in 75% of dental calculis (Candidatus M. massiliense, 44.6%; M. oralis, 19.6%; Methanomassiliicoccus luminyensis-like, 12.5%; Candidatus Nitrososphaera evergladensis-like in one and Methanoculleus bourgensis in one specimen). One Candidatus M. massiliense dental calculus was further documented by fluorescent in situ hybridization.

Les méthanogènes sont des Archaea anaérobies stricts, connus pour être les seuls êtres vivants capables de produire du méthane comme sous-produit de leur métabolisme. Notre revue de littérature a montré qu’outre les espèces environnementales, l’ordre des Methanomassiliicoccales ne comptait à ce jour qu’une seule espèce Methanomassiliicoccus luminyensis isolée et cultivée dans notre laboratoire. Aucours de notre thèse, nous avons développé une nouvelle méthode permettant la culture et l’isolement des méthanogènes en absence de source externe de dihydrogène (H2) d’une part et d’autre part une méthode de génotypage Multispacer Sequence Typing (MST) basée sur le séquençage d’espaces intergéniques pour typer Methanobrevibacter smithii et M. oralis. Par la suite, nous avons mis en évidence la présence de méthanogènes en situation pathologique chez l’homme. Nous avons détecté et isolé pour la première fois au sein de flores anaérobies, M. oralis à partir d’échantillons d’abcès cérébraux, et de sinusite d’une part, et d’autre part M. smithii à partir d’un échantillon de patient souffrant d’abcès para-vertébral. Enfin, dans la cinquième partie de notre thèse, nous avons testé in vitro la sensibilité de cinq méthanogènes associés aux flores humaines à la lovastatine qui est une pro-drogue utilisée pour abaisser la concentration de cholestérol chez l’homme dans le cadre de certaines pathologies. Les cinq méthanogènes se sont avérées sensibles à une concentration minimale inhibitrice de 1µg/mL, après activation par hydrolyse de la lovastatine par des bactéries anaérobies du microbiote digestif, via une l’inhibition de la croissance et de la production du méthane. / Methanogens are strict anaerobic Archaea, known to the only being able to producing methane gas as a byproduct. Methanogens which are not detected in clinical microbiology laboratories were present in oral, digestive, vaginal and cutaneous microbiota of human. Only five species on the thirteen known in human have been cultivated before the beginning of our thesis. In our thesis, we initially reviewed the state of knowledge about methanogens in human microbiota, particularly the new order Methanomassiliicoccales of methylotrophic methanogens, the as member of human microbiota. In the second part of this work, we performing new method for methanogens culture and isolation without any dihydrogen atmosphere, by co-cultured in tubes methanogens with Bacteroides thetaiotaomicron, which produces hydrogen. We also developed Multispacer Sequence Typing (MST), a genotyping method based on intergenic spacers sequencing, to genotype M. oralis and Methanobrevibacter. Smithii. We demonstrated that methanogens could be part of polymicrobial infection in the case of brain and sinusal abscesses, and also in skeletal muscle abscess, by isolating for the first time M. oralis and M. smithii in these pathologies, using culture-based and molecular-based approaches, and suggested that methanogens could be considered as human opportunistic or emerging pathogens. Finally, we tested the in vitro susceptibility of lovastatin which is a prodrug used as a powerful serum cholesterol-lowering drug in some human diseases and showed that it’s inhibits growth and methane production in human-associated methanogens without affecting intestinal bacteria.

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.

Le méthane, un des principaux gaz à effet de serre, est majoritairement produit et consommé par l'activité métabolique de microorganismes affiliés aux domaines des Archaea et des Bacteria. Afin d’appréhender le cycle biogéochimique du méthane, il est essentiel d’identifier l’ensemble des acteurs impliqués dans ce dernier ainsi que les facteurs environnementaux modulant leurs activités. Les lacs d’eau douce constituent une source importante de méthane, car, dans ces écosystèmes, les conditions environnementales favorisent la méthanogenèse au détriment d’autres processus terminaux de la dégradation anaérobie de la matière organique. Au cours de cette thèse, les études sur les communautés impliquées dans le cycle biogéochimique du méthane ont été conduites dans la colonne d’eau et les sédiments anoxiques du Lac Pavin (Auvergne), unique lac méromictique de France. Cet écosystème a été choisi comme site d'étude en raison des fortes concentrations en méthane présentes dans sa couche d'eau profonde qui contrastent avec les faibles émissions de ce gaz vers l'atmosphère. Ces observations géochimiques suggèrent une intense activité de production et de consommation du méthane, offrant un cadre pertinent pour l’étude des communautés ciblées. Les approches moléculaires visant à caractériser la structure spatiale, la composition, les zones d'activité et les facteurs (ascendants et descendants) potentiellement impliqués dans la régulation des communautés de méthanogènes et de méthanotrophes ont été, au cours de ce travail, systématiquement associées à des approches culturales et microcalorimétriques afin d’acquérir des données sur la physiologie des microorganismes impliqués dans le cycle du méthane. Les résultats obtenus mettent en évidence que les communautés de méthanogènes sont distribuées sur l’ensemble de la colonne d’eau anoxique et dans la strate superficielle des sédiments profonds. Ce groupe métabolique, essentiellement représenté par des espèces affiliées aux Methanosaetaceae et aux Methanoregulaceae, est particulièrement actif dans la zone benthique qui constituerait la source principale de méthane dans cet écosystème. Une nouvelle espèce méthanogène, Methanobacterium lacus, a été isolée de ces sédiments et décrite, et vient enrichir le faible nombre d'espèces méthanogènes isolées à ce jour à partir des lacs d'eau douce. L'étude écophysiologique de cette souche suggère que la température pourrait en partie expliquer la faible représentativité des Methanobacteriales dans cet écosystème. Une partie du méthane semble être directement consommée dans la zone anoxique (pélagique et benthique). L’existence de ce processus d’oxydation anaérobie, soutenu par les approches microcalorimétriques, pourrait être, dans les sédiments profonds, sous la dépendance de lignées candidates archéennes dont la physiologie reste encore énigmatique. Le remplacement progressif des méthanogènes par 2 lignées candidates d'archaea (MBG-D et MCG) le long du profil sédimentaire suggère qu'elle se développe dans des niche contrastées. La régulation putative des communautés archéennes par les virus a été analysée. Cette étude est la première à rapporter la présence de particules virales de type "archaeovirus" dans un environnement non-extrême (en termes de température, pH et salinité) ainsi que des particules virales pouvant représentées de nouvelles familles de virus. Une activité virale intense est suggérée dans ces sédiments par le nombre important de cellules infectées, comparativement à d'autres sédiments, et par le changement concomitant de la structure de la communauté virale et procaryotique avec la profondeur. Bien qu’une partie du méthane soit probablement oxydée en anaérobiose, la consommation de ce métabolite est principalement dépendante de l’activité de méthanotrophes aérobies dominées par des espèces affiliées au genre Methylobacter, un des principaux genres de méthanotrophes rencontré en milieu d’eau douce. (...) / Methane, a major greenhouse gas, is produced and consumed mainly by the metabolic activity of microorganisms affiliated to the domains Archaea and Bacteria. In order to understand the biogeochemical cycling of methane, it is essential to identify all the biological actors involved, as well as environmental factors modulating their activity. Freshwater lakes are a major source of methane because environmental conditions occurring in these ecosystems favor methanogenesis over other terminal processes of anaerobic degradation of organic matter. In this thesis, studies of communities involved in the biogeochemical cycling of methane were carried out in the water column and anoxic sediment of Lake Pavin (Auvergne), the unique French meromictic lake. This ecosystem has been selected as study site due to the high concentrations of methane in its deep water layer which contrast with the very low emission of this gas in the atmosphere. These geochemical observations suggest an intense activity of production and consumption of methane, providing an appropriate framework for studying the communities involved. Molecular approaches to characterize the spatial structure, composition, activity areas and factors (bottom-up and top-down) potentially involved in the regulation of methanogens and methanotrophs were, in this work, systematically associated to cultural and microcalorimetric approaches to acquire data on the physiology of microorganisms involved in the methane cycle. The results show that methanogens are distributed throughout the permanent anoxic water column (monimolimnion) and mainly in the superficial layer of the sediment situated under the monimolimnion. This metabolic group, mainly represented by species affiliated to Methanosaetaceae and Methanoregulaceae, is particularly active in the benthic zone which would be the main source of methane in this ecosystem. A new species of methanogen, Methanobacterium lacus, was isolated from these sediments and described. It enhances to the small number of methanogenic species isolated to date from freshwater lakes. The ecophysiological study of this strain suggests that the temperature could partly explain the low representation of Methanobacteriales in this ecosystem. A part of the methane appears to be directly consumed in the anoxic zone (pelagic and benthic). The existence of this process of anaerobic oxidation, supported by microcalorimetric approaches, could be in deep sediments, dependent on archaeal candidate lineages whose physiology remains enigmatic. The gradual replacement of methanogens by two archaeal candidate lineages (MBG-D and MCG) along the sedimentary profile suggests that they live in contrasted niche. The putative regulation of the archaeal communities by virus was analyzed. This study has reported the first observations of archaeovirus-like particles in a non-extreme environment (in term of temperature, pH and salinity) and virus-like particles which might represent new viral families. An intense viral activity in these sediments is suggested by i) the important number of visibly infected cells and ii) the concomitant change of the viral and prokaryotic communities with depth. While a fraction of methane is probably oxidized anaerobically, the consumption of this metabolite is mainly dependent on the activity of aerobic methanotrophs dominated by species affiliated to the genus Methylobacter, one of the main types of methanotrophs found in freshwater environments.These methanotrophs have a large area of activity, extending around both sides of the red/ox interface in the water column. This wide distribution may partly explain the low quantity of methane released by the Lake Pavin. (...)

Altos fluxos positivos de metano para a atmosfera foram detectados na região amazônica. O gás metano é o segundo mais importante gás de efeito estufa e micro-organismos pertencentes ao Domínio Archaea são responsáveis pela produção de aproximadamente 70% do metano emitido para a atmosfera anualmente. O objetivo deste trabalho foi caracterizar a diversidade de arqueias em sedimentos dos rios Floresta e Madeira através de técnicas moleculares e do cultivo de arqueias metanogênicas. A maior parte das sequências obtidas nas duas bibliotecas pertence ao domínio Crenarchaeota, algumas com similaridade menor que 97% às sequências depositadas nos bancos de dados, revelando a existência de grupos ainda não descritos na literatura. Nos enriquecimentos do sedimento do rio Madeira detectaram-se células pertencentes às famílias Methanosarcinaceae e Methanobacteriaceae pelo emprego de sondas fluorescentes de RNA. Culturas dos gêneros Methanosarcina e Methanobacterium foram estabelecidas em laboratório. A grande diversidade de arqueias não cultivadas encontrada vem reforçar a necessidade de se estudar esse grupo, especialmente sua fisiologia e, consequentemente, seu papel ecológico nos diversos ambientes em que são encontrados. / High positive fluxes of methane to the atmosphere have been detected in the Amazonian region. Methane is the second most important greenhouse gas and microorganisms belonging to the Archaea domain are responsible for approximately 70% of the total methane emitted to the atmosphere annually. The objective of this work was to characterize the Archaea diversity in two sites at Madeira and Floresta rivers sediments using molecular techniques and the culturing of methanogenic archaea. Most sequences obtained in the libraries from both rivers belonged to the Crenarchaeota domain, and around half of them presented less than 97% of similarity to sequences available in databases, revealing the existence of new archaea groups yet to be described in the literature. Cells belonging to the Methanosarcinaceae and Methanobacteriaceae families were detected in the enrichment cultures from Madeira River through the use of RNA fluorescent probes. Strains of Methanosarcina sp. and Methanobacterium sp. are being maintained under laboratory conditions. The great diversity of uncultured Archaea found emphasizes the need to study this group, mainly its physiology and, consequently, its role in the diverse environments they occupy.

Background: MicrO is an ontology of microbiological terms, including prokaryotic qualities and processes, material entities (such as cell components), chemical entities (such as microbiological culture media and medium ingredients), and assays. The ontology was built to support the ongoing development of a natural language processing algorithm, MicroPIE (or, Microbial Phenomics Information Extractor). During the MicroPIE design process, we realized there was a need for a prokaryotic ontology which would capture the evolutionary diversity of phenotypes and metabolic processes across the tree of life, capture the diversity of synonyms and information contained in the taxonomic literature, and relate microbiological entities and processes to terms in a large number of other ontologies, most particularly the Gene Ontology (GO), the Phenotypic Quality Ontology (PATO), and the Chemical Entities of Biological Interest (ChEBI). We thus constructed MicrO to be rich in logical axioms and synonyms gathered from the taxonomic literature. Results: MicrO currently has similar to 14550 classes (similar to 2550 of which are new, the remainder being microbiologically-relevant classes imported from other ontologies), connected by similar to 24,130 logical axioms (5,446 of which are new), and is available at (http://purl.obolibrary.org/obo/MicrO.owl) and on the project website at https://github.com/carrineblank/MicrO. MicrO has been integrated into the OBO Foundry Library (http://www.obofoundry.org/ontology/micro.html), so that other ontologies can borrow and re-use classes. Term requests and user feedback can be made using MicrO's Issue Tracker in GitHub. We designed MicrO such that it can support the ongoing and future development of algorithms that can leverage the controlled vocabulary and logical inference power provided by the ontology. Conclusions: By connecting microbial classes with large numbers of chemical entities, material entities, biological processes, molecular functions, and qualities using a dense array of logical axioms, we intend MicrO to be a powerful new tool to increase the computing power of bioinformatics tools such as the automated text mining of prokaryotic taxonomic descriptions using natural language processing. We also intend MicrO to support the development of new bioinformatics tools that aim to develop new connections between microbial phenotypes and genotypes (i.e., the gene content in genomes). Future ontology development will include incorporation of pathogenic phenotypes and prokaryotic habitats.

DNA is constantly damaged by a variety of exogenous and endogenous sources. To maintain the integrity of the genome, different DNA repair mechanisms have evolved, which deal with different kinds of DNA damage. One of the DNA repair pathways, Nucleotide Excision Repair (NER), is highly conserved throughout the three kingdoms of life and deals mainly with lesions arising in the DNA duplex after exposure to UV-light. The NER pathway in archaea is more closely related to that of eukarya, although the overall process is not yet well understood. This thesis describes the isolation and characterisation of one of the repair factors, XPD, from the crenarchaeon Sulfolobus acidocaldarius (SacXPD). SacXPD was first identified due to its homology with the eukaryal XPD protein. In eukarya XPD is the 5a' -> 3a' helicase involved in opening the DNA duplex around a damaged site. In eukarya, XPD is part of a 10-subunit complex, where it fulfils important structural roles and takes part in NER, transcription initiation from RNA polymerase II promoters and cell cycle regulation. The archaeal protein on the contrary is a monomer and a 5a' -> 3a' SF2 DNA helicase as its eukaryal counterpart. Its cellular functions, however, are unclear. Upon purification of SacXPD, it was discovered that the protein binds an ironsulphur cluster (FeS), which is essential for its helicase activity, but not for any other enzymatic functions, such as the ATP hydrolysing activity. The FeS cluster domain was not only identified in archaeal XPD, but also in eukaryal XPD and other related eukaryal helicases, such as FancJ. The presence of the FeS cluster was confirmed in the eukaryotic XPD homologue Rad3 from Saccharomyces cerevisiae. Mutagenesis studies were used to investigate a possible function of the FeS cluster, which may be used to engage ssDNA during the duplex unwinding process. This would actively distort the ss/ ds DNA junction. In addition, the resulting bending of the clamped single DNA strand could be used to avoid reannealing. The consequences of some human mutations introduced into the SacXPD gene were investigated and could contribute to our understanding of the development of human diseases.

Les gènes codant pour des protéines peuvent souvent être regroupés et intégrés en modules fonctionnels par rapport à un organelle. Ces modules peuvent avoir des composantes qui suivent une évolution corrélée pouvant être conditionnelle à un phénotype donné. Les gènes liés à la motilité possèdent cette caractéristique, car ils se suivent en cascade en réponse à des stimuli extérieurs. L’hyperthermophilie, d’autre part, est interreliée à la reverse gyrase, cependant aucun autre élément qui pourrait y être associé avec certitude n’est connu. Ceci peut être dû à un déplacement de gènes non orthologues encore non résolu. En utilisant une approche bio-informatique, une modélisation mathématique d’évolution conditionnelle corrélée pour trois gènes a été développée et appliquée sur des profils phylétiques d’archaea. Ceci a permis d’établir des théories quant à la fonction potentielle du gène du flagelle FlaD/E ainsi que l’histoire évolutive des gènes lui étant liés et ayant contribué à sa formation. De plus, une histoire évolutive théorique a été établie pour une ligase liée à l’hyperthermophilie. / Protein coding gene may often be grouped and integrated in functional modules with respect to an organelle. These modules may have constituents that follow a conditional correlated evolution to a given phenotype. Genes linked to motility posses this characteristic as they follow a cascade in response to external stimuli. Similarly, hyperthermophily is related to reverse gyrase, however no other element that could be associated with certainty is known. This may be caused by an unresolved case of non-orthologous gene displacement. Using a bioinformatic approach, a mathematical model for conditional correlated evolution for three genes has been developed and applied to the phyletic profiles of archaea. This has helped to develop theories about the potential functions of the flagellar gene FlaD/E and the evolutionary history of the genes that are linked to it and that may have contributed to its formation. In addition, a theoretical evolutionary history has been established for a ligase associated with hyperthermophily.

Les ARN de transfert, éléments centraux de la traduction, présentent une grande variété de nucléosides modifiés dérivés des nucléosides canoniques (A, U, G et C), qui modulent la stabilité, la capacité de décodage et l’identité de ces molécules. t6A (thréonylcarbamoyl-N6-Adénosine) est un nucléoside hypermodifié retrouvé en position 37 (adjacent à l’anticodon) au niveau de tous les ARNt qui s’apparient aux codons de la forme ANN. Il joue un rôle essentiel dans la fidélité de traduction à travers deux fonctions principales : (i) il intervient dans le maintien de la bonne conformation de la boucle anticodon ; (ii) il facilite l’appariement codon/anticodon afin d’éviter le décalage de cadre de lecture durant la synthèse protéique. Ce nucléoside modifié est universel, présent chez les Archées, les Bactéries, les Eucaryotes, mais également chez les organites (mitochondries et chloroplastes), ce qui suggère que son apparition représente une acquisition évolutive importante et très ancienne, probablement antérieure au dernier ancêtre commun universel (LUCA). Pourtant, la voie de biosynthèse de t6A est restée inconnue pendant près de quarante ans.Récemment, des études de génétique ont montré que deux protéines universelles, Sua5/YrdC et Kae1/YgjD, sont nécessaires à sa synthèse chez Saccharomyces cerevisiae et Escherichia coli. Chez les Bactéries, la synthèse in vitro de t6A requiert la présence de deux autres protéines spécifiques à ce domaine du vivant : YeaZ et YjeE. Chez les Archées et les Eucaryotes, Kae1 (l’orthologue de YgjD) fait partie d’un complexe protéique conservé appelé KEOPS (pour Kinase Endopeptidase and Other Proteins of Small size), aux côtés de trois autres protéines : Bud32, Cgi121 et Pcc1, qui n’ont pas d’homologues chez les Bactéries. Depuis sa découverte en 2006 chez S.cerevisiae, ce complexe a été impliqué dans plusieurs processus cellulaires (homéostasie des télomères, maintien du génome, régulation de la transcription), sans que sa fonction ne soit clairement élucidée.Nous avons entrepris de caractériser et de comparer par une approche biochimique in vitro les machineries de biosynthèse de t6A issues des trois domaines du vivants, en utilisant comme organismes modèles l’Archée Pyrococcus abyssi, l’Eucaryote Saccharomyces cerevisiae et la Bactérie Escherichia coli. (i) Nous avons montré pour la première fois que le complexe KEOPS et la protéine Sua5 catalysent ensemble la synthèse de t6A chez les Archées et les Eucaryotes. Nos résultats nous ont permis d’élaborer un modèle de mécanisme catalytique, et nous avons montré par des expériences de complémentation in vitro que ce mécanisme est universel : les différents orthologues Sua5/YrdC sont interchangeables, et le complexe KEOPS est l’analogue fonctionnel du trio de protéines YgjD/YeaZ/YjeE Bactérien. (ii) Nous avons alors étudié le rôle de chacune des sous-unités du complexe KEOPS de Pyrococcus abyssi dans la synthèse de t6A. Ainsi, nous avons montré que Kae1 est le seul composant catalytique stricto sensus et que les trois autres partenaires ont des fonctions distinctes dans la régulation de l’activité catalytique. (iii) Enfin, nous avons étudié la synthèse de t6A chez la mitochondrie de S.cerevisiae, et avons montré que Sua5 et la protéine Qri7, l’orthologue mitochondrial de Kae1/YgjD, catalysent ensemble la synthèse de t6A et constituent ainsi un système minimaliste à deux composants.Ces résultats ouvrent la voie à une compréhension détaillée du mécanisme de biosynthèse de t6A dans les trois domaines du vivant, et permettent de proposer des scénarii évolutifs concernant l’histoire de la machinerie de synthèse de ce nucléoside modifié universel. / Transfer RNA are central elements of the translational system and carry a large diversity of modified nucleosides (derived from canonical nucleosides A, U, G, and C), which tune the stability, the decoding capacity and the identity of these oligonucleotides. t6A (threonylcarbamoyl-N6- adenosine) is a hypermodified nucleoside found at the position 37 (next to the anticodon) in all tRNA decoding ANN codons. It plays an essential role in the fidelity of translation through two main functions: (i) it ensures a correct conformation of the anticodon loop; (ii) it enhances codon/anticodon pairing to prevent frameshifting during translation. This nucleoside is universal, found in Archaea, Bacteria, Eukarya and also in organites such as mitochondria, which suggests that it appeared early in the evolution, probably before the last universal common ancestor (LUCA). Despite the importance of t6A and its distribution, its biosynthetic pathway has remained unknown for almost 40 years.Recently, genetic studies have shown that two universal proteins, Sua5/YrdC and Kae1/YgjD, are both necessary for synthesis of t6A in Saccharomyces cerevisiae and Escherichia coli. In Bacteria, the in vitro synthesis of t6A requires two other bacterial specific proteins called YeaZ and YjeE. In Archaea and Eukarya, Kae1 (the YgjD orthologue) is a part of a conserved protein complex called KEOPS (for Kinase Endopeptidase and Other Proteins of Small size), with three other proteins Bud32, Cgi121 and Pcc1, that have no bacterial homologues. Since its discovery in 2006 in yeast, this complex has been involved in several cellular processes (telomere homeostasis, genome maintenance, transcription regulation), but its real function remained unclear.Using an in vitro biochemical approach we aimed to characterize and compare the t6A biosynthesis systems from the three domains of life, using as model organisms Pyrococcus abyssi (Archaea) Saccharomyces cerevisiae (Eukarya), and Escherichia coli (Bacteria). We have reconstituted for the first time an in vitro system for t6A modification in Archaea and Eukarya, using purified KEOPS and Sua5. This allowed us to propose a model for the catalytic mechanism, and using in vitro complementation experiments we demonstrated that this mechanism is universal: Sua5/YrdC orthologues are interchangeable, and the KEOPS complex is the functional analogue of the bacterial trio YeaZ/YgjD/YjeE. In the second part of this work we have studied the role of each sub unit in the synthesis of t6A. Using KEOPS from P. abyssi as model we demonstrated that Kae1 is the only catalytic component while the three other partners have distinct functions in dimerization, tRNA binding and allosteric regulation. Finally, we have focused on the t6A synthesis in the mitochondria of S.cerevisiae, and shown that Sua5 and Qri7, the mitochondrial orthologue of Kae1/YgjD, catalyze together the synthesis of t6A and so represent a minimal two-component system.Overall these findings shed light on the reaction mechanism of t6A synthesis in the three domains of life, and allowed proposing a scenario concerning the history of the t6A synthesis machinery and its evolution.