Le méthane (CH4) est un des principaux gaz à effet de serre. L'élevage est à l'origine d'un tiers du CH4 produit par l'activité humaine en Europe. En plus, la production de CH4 représente une perte de 2% à 12 % de l'énergie consommée par l'animal. La méthanogenèse est le résultat de l'activité d'un groupe de microorganismes particuliers - les Archaea méthanogènes. La production de CH4 permet de d'éliminer du milieu ruminal l'hydrogène produit au cours de la fermentation des aliments par les autres microorganismes (bactéries, protozoaires, champignons). En effet, l'accumulation d'hydrogène affecte le fonctionnement optimal du rumen. La réduction des émissions de CH4 par les ruminants présente donc un intérêt économique et environnemental non négligeable et passe inévitablement par une modification de l'écosystème microbien du rumen. L'objectif de ce travail de thèse était de relier la production de CH4 avec la structure et l'activité de la communauté méthanogène du rumen. Différents modèles de manipulation de l'écosystème microbien ruminal comme la défaunation (élimination des protozoaires) et l'utilisation d'aliments connus pour modifier la méthanogenèse ont été utilisés. Le rumen étant un écosystème complexe, les interactions fonctionnelles entre les Archaea méthanogènes et les autres microorganismes présents (bactéries et protozoaires) ont également été étudiées. Dans cette optique, des outils de biologie moléculaire, permettant de cibler les principales communautés microbiennes, ont été optimisés. Nos travaux permettent de conclure sur l'absence de relation claire entre le nombre (et/ou la concentration) des Archaea méthanogènes et la méthanogenèse dans le rumen. Cependant les réductions des émissions de CH4 ont été attribuées aux changements dans la diversité de la communauté méthanogène et la disponibilité en hydrogène. Ce travail de thèse a mis en évidence que les modifications de la composition et/ou de l'activité métabolique de la communauté des Archaea méthanogènes seraient à l'origine des réductions des émissions de CH4 par les ruminants. Une meilleure connaissance des mécanismes microbiens impliqués dans la production de méthane permettra d'envisager de nouvelles pistes pour diminuer les émissions chez les ruminants.

Les microorganismes anaérobies représentent la population majoritaire de notre tube digestif et ont un impact remarquable sur notre santé. Leur culture demeure à ce jour longue, fastidieuse et coûteuse et nombreux sont ceux qui restent incultivables. Or la culture est un outil indispensable pour l'étude du microbiote digestif. Ainsi, le laboratoire dans lequel ma thèse s’est déroulée a créé un nouveau concept de culture « Microbial Culturomics » qui a permis d’isoler 193 nouvelles espèces bactériennes anaérobies. Un travail sur l’utilisation des antioxydants pour permettre la culture aérobie des bactéries anaérobies a également été amorcé : une optimisation des techniques de culture prometteuse autour de laquelle mes travaux ont vu le jour. Notre premier projet a consisté à développer un dispositif de culture innovant permettant la culture des archaea méthanogènes en aérobiose et en absence de source externe de dihydrogène. Notre deuxième projet a consisté à élaborer un flacon d’hémoculture unique dans lequel la croissance de toutes les bactéries, aérobies et anaérobies, pouvaient être détectées. Notre troisième projet quant à lui repose sur la comparaison du mode de culture anaérobie et de celui en aérobie avec les antioxydants à travers l’exemple de trois souches bactériennes strictement anaérobies. L’utilisation des antioxydants pour faciliter la culture des microorganismes anaérobies a donc apporter des résultats très prometteurs qui pourrait être utilisés, après validation par des études multicentriques dans les laboratoires de microbiologie clinique et environnementaux. / Anaerobic microorganisms are characterized by their ability to grow and survive in the absence of oxygen. Indeed free oxygen molecules are not used for their metabolism and can be toxic to varying degrees, sometimes leading to cell death. Although it is known that these microorganisms are the predominant in our digestive microbiota and that they have a great impact on our health, their culture remain long, fastidious, costly, and in most cases impossible. Becteria culture is an indispensable tool for isolating strains, performing studies from living models, and identifying new ones. Thus, the laboratory in which my thesis tooks place created a new concept of culture "Microbial Culturomics" which made it possible to isolate 193 new anaerobic bacterial species. A work based on the use of antioxidants to enable the aerobic culture of anaerobic bacteria was also initiated: a promising optimization of the culture techniques from which my work was born. Our first project consisted in developing an innovative culture device allowing the cultivation of methanogenic archaea in aerobic and without an external source of dihydrogen. In our second project, we performed a single culture bottle in which the growth of all bacteria, aerobic and anaerobic, could be detected. Our third project was based on the comparison of anaerobic and aerobic culture with antioxidants through the example of three strictly anaerobic bacterial strains.Therefore the use of antioxidants enable to facilitate anaerobic bacteria cultivation. These results are very encouraging for clinical and environmental microbiology laboratories.

Le méthane (CH4) est un des principaux gaz à effet de serre. L’élevage est à l’origine d’un tiers du CH4 produit par l’activité humaine en Europe. En plus, la production de CH4 représente une perte de 2% à 12 % de l’énergie consommée par l’animal. La méthanogenèse est le résultat de l’activité d’un groupe de microorganismes particuliers - les Archaea méthanogènes. La production de CH4 permet de d’éliminer du milieu ruminal l’hydrogène produit au cours de la fermentation des aliments par les autres microorganismes (bactéries, protozoaires, champignons). En effet, l’accumulation d’hydrogène affecte le fonctionnement optimal du rumen. La réduction des émissions de CH4 par les ruminants présente donc un intérêt économique et environnemental non négligeable et passe inévitablement par une modification de l’écosystème microbien du rumen. L’objectif de ce travail de thèse était de relier la production de CH4 avec la structure et l’activité de la communauté méthanogène du rumen. Différents modèles de manipulation de l’écosystème microbien ruminal comme la défaunation (élimination des protozoaires) et l’utilisation d’aliments connus pour modifier la méthanogenèse ont été utilisés. Le rumen étant un écosystème complexe, les interactions fonctionnelles entre les Archaea méthanogènes et les autres microorganismes présents (bactéries et protozoaires) ont également été étudiées. Dans cette optique, des outils de biologie moléculaire, permettant de cibler les principales communautés microbiennes, ont été optimisés. Nos travaux permettent de conclure sur l’absence de relation claire entre le nombre (et/ou la concentration) des Archaea méthanogènes et la méthanogenèse dans le rumen. Cependant les réductions des émissions de CH4 ont été attribuées aux changements dans la diversité de la communauté méthanogène et la disponibilité en hydrogène. Ce travail de thèse a mis en évidence que les modifications de la composition et/ou de l’activité métabolique de la communauté des Archaea méthanogènes seraient à l’origine des réductions des émissions de CH4 par les ruminants. Une meilleure connaissance des mécanismes microbiens impliqués dans la production de méthane permettra d’envisager de nouvelles pistes pour diminuer les émissions chez les ruminants. / Methane (CH4) is a major greenhouse gas. Livestock contributes to one third of CH4 produced by human activity in Europe. Methanogenesis is the result of the activity of a specific group of microorganisms, the methanogenic Archaea. This natural process prevents hydrogen accumulation in the rumen, which may affect the optimal feed degradation, but it represents a loss of 2% to 12% of energy consumed by the animal. Reduction of CH4 emissions from ruminants presents therefore economic and environmental benefits and inevitably involves a change in rumen microbial ecosystem. However microbial mechanisms of CH4 production in the rumen are still poorly understood. The objective of this thesis was to relate the production of CH4 with the structure and/or the activity of the methanogenic rumen community. Different models of manipulation of the rumen microbiota such as defaunation (removal of protozoa) and the use of feed known to affect methanogenesis were used. Interactions between methanogenic Archaea and other microorganisms (bacteria and protozoa) were also studied in the complex rumen ecosystem. In this context, tools of molecular biology, to identify key microbial communities, were optimized. Our work allows to conclude that there is no clear relationship between the number of methanogenic Archaea and methanogenesis rate in the rumen. However, reduction in CH4 emissions could be attributed to changes in the diversity of the methanogenic community and the availability of hydrogen. This thesis has shown that changes in the composition and / or metabolic activity of methanogenic Archaea community were associated to the reductions in CH4 emissions observed in our animal trials. A better understanding of microbial mechanisms involved in the production of methane will consider new ways to reduce emissions in ruminants.

L’étude du microbiote digestif a connu un regain d’intérêt au début des années 2000, avec l’avènement des techniques moléculaires. La culturomics a démontré sa complémentarité depuis 2010 en réduisant une partie des biais des méthodes moléculaires. Une revue sur les techniques d’étude du microbiote digestif et l’analyse du microbiote des sujets africains. Les études de métagénomique en Afrique ont révélé une augmentation de la biodiversité, en particulier des Spirochaetes et des Prevotella chez les africains par rapport aux occidentaux. Sur les 1162 bactéries isolées par culturomics, 476 n'étaient pas africaines, 445 étaient communes et 241 étaient d’origine africaine dont 68 nouvelles espèces. Pour ma participation au travail de culturomics, 102750 colonies testées par MALDI-TOF,ont permis d'identifier 377 espèces incluant 40 nouvelles espèces,17 nouveaux genres et 2 nouvelles familles.Ces nouvelles espèces ont été décrites par taxonogenomics ou new species announcement.Les archaea méthanogènes ont une prévalence de 97,4% pour M. smithii et associés à des pathologies comme l’abcès du cerveau,les parodontites etc. La culture est fastidieuse et nécessitait une source extérieure d’hydrogène. Sous enceinte anaérobie, nous avons cultivé avec succès M. smithii à partir d’un milieu de culture liquide inoculé d’échantillon de selle. L’isolement en culture pure a été un succès sur milieu gélosé en réalisant une coculture avec Bacteroides thetaiotaomicron. Nous avons aussi testé avec succès la coculture de M. smithii avec d’autres bactéries productrices d’hydrogène connues. Les tests de chromatographie en phase gazeuse montraient que ces souches produisaient de l’hydrogène. / The study of the digestive microbiota was a renewed interest in the early 2000s, with the advent of molecular techniques. The culturomics has demonstrated its complementarity since 2010 by reducing some of the biases of molecular methods. A review on the techniques of studying the digestive microbiota and the analysis of the microbiota of African subjects. Metagenomic studies in Africa have revealed an increase in biodiversity, especially Spirochaetes and Prevotella among Africans compared to Westerners. Of the 1162 bacteria isolated by culturomics, 476 were non-African, 445 were common, and 241 were of African origin, including 68 new species. For my participation in the work of culturomics, 102750 colonies tested by MALDI-TOF, identified 377 species including 40 new species, 17 new genera and 2 new families. These new species have been described by taxonogenomics or new species announcement.Methanogenic archaea have a prevalence of 97.4% for M. smithii and associated with pathologies such as brain abscess, periodontitis and so on. The cultivation is tedious and required an external source of hydrogen. Under anaerobic enclosure, we successfully cultivated M. smithii from a liquid culture medium inoculated with a stool sample. The isolation in pure culture was a success on agar medium by performing a coculture with Bacteroides thetaiotaomicron. We have also successfully tested the co-culture of M. smithii with other known hydrogen-producing bacteria. Gas chromatographic tests showed that these strains produced hydrogen.

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.

Les archaea constituent l'un des quatre domaines connus du vivant. Contrairement à ce que leur nom laisse supposer, elles ont colonisé tous les écosystèmes et les microbiotes de certains hôtes dont l'Homme. Chez l'homme, certaines espèces d'archaea méthanogènes ont été associées aux muqueuses orale, intestinale et vaginale. Ces archaea méthanogènes sont des procaryotes anaérobies stricts et leurs conditions de culture restent fastidieuses et très mal connues. Quatre archaea methanogènes seulement ont été isolées à partir de prélèvements humains y compris dans le microbiote digestif Methanobrevibacter smithii détectée dans 95,7% des individus, Methanosphaera stadtmanae retrouvée chez environ un tiers des individus et plus récemment dans notre laboratoire Methanomassilicoccus luminyensis détectée en moyenne chez 4% des individus avec une prévalence liée à l'âge ; et dans le microbiote orale Methanobrevibacter oralis isolée à partir de la plaque dentaire. / Archaea is one of four known domains of life. Unlike what their name suggests, they some species of methanogenic archaea have been associated with oral, vaginal and intestinal mucosa. These methanogenic archaea are obligate anaerobic prokaryotes and their culture conditions are fastidious and very poorly known. Only four methanogenic archaea have been isolated from human samples including the digestive microbiota; Methanobrevibacter smithii detected in 95.7% of individuals Methanosphaera stadtmanae found in approximately one third of individuals and more recently in our laboratory Methanomassilicoccus luminyensis detected on average in 4% of individuals with a prevalence of age-related, and in the oral microbiota Methanobrevibacter oralis isolated from dental plaque.