Les microorganismes, par leurs fascinantes capacités d’adaptation liées à l’extraordinaire diversité de leurs capacités métaboliques, jouent un rôle fondamental dans les tous les processus biologiques. Ils interviennent notamment au niveau des changements globaux, comme le réchauffement climatique, en partie occasionné par les émissions croissantes de méthane dans l’atmosphère, mais également par les pollutions résultant de la dispersion de molécules comme les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques. Ainsi, les communautés microbiennes vont participer à réduire ou à augmenter les effets délétères de l’anthropisation des écosystèmes. La régulation des changements globaux passe donc par une meilleure connaissance de ces communautés qui doivent être explorées dans leur globalité au sein des environnements. Néanmoins en raison de leur forte complexité, une telle exploration n’est possible qu’en utilisant des outils d’analyse haut-débit. Cependant, l’emploi d’outils moléculaires à haut-débit comme les biopuces à ADN passe par la détermination de sondes combinant à la fois une forte sensibilité, une très bonne spécificité et un caractère exploratoire. Pour concevoir de telles sondes un nouveau logiciel KASpOD a donc été développé. De même, en utilisant des sondes présentant les mêmes caractéristiques, le développement d’une nouvelle approche innovante en écologie microbienne de capture de gènes en solution été entrepris. Cette nouvelle méthode d’enrichissement de gènes d’intérêt couplée à du séquençage haut-débit a été appliquée pour l’exploration des communautés méthanogènes du lac Pavin. Les résultats obtenus montrent la pertinence de l’approche qui assure une meilleure évaluation de diversité de l’écosystème avec notamment l’identification de populations appartenant à la biosphère rare. L’autre ajout majeur de cette approche est qu’elle autorise l’identification de grandes régions d’ADN génomique exploitable pour caractériser de nouveaux gènes ou de nouveaux processus adaptatifs. / Microorganisms play a crucial role in all biological processes related to their huge metabolic potentialities. They are involved in global changes such as global warming partially caused by the growing methane emissions in the atmosphere, but also by the release of pollutants such as Polycyclic Aromatic Hydrocarbons. Thus, microbial communities will contribute to reduce or increase the negative effects of human impacts on ecosystems. The regulation of global changes needs a better knowledge of the microbial communities involved in complex environments functioning. Nevertheless, a complete exploration of such environments requires the use of high-throughput tools, due to the extraordinary diversity of microorganisms within the ecosystems. The use of DNA microarrays requires a probe design step allowing the selection of highly sensitive, specific and explorative oligonucleotides. For this purpose, we have developed KASpOD, a new software, allowing the generation of efficient probes dedicated to environmental applications. Using high quality probe sets, an innovative in solution-based gene capture method combined with Next Generation Sequencing, was developed and applied for the exploration of the methanogen communities in lake Pavin, Results showed the relevance of this approach that allows a better evaluation of the methanogen diversity with an efficient detection of populations belonging to the rare biosphere. The other main advantage of this approach is the identification of large regions of genomic DNA, useful for the characterization of new genes or adaptive processes.

Les microorganismes, par leurs fascinantes capacités d’adaptation liées à l’extraordinaire diversité de leurs capacités métaboliques, jouent un rôle fondamental dans tous les processus biologiques. Jusqu’à récemment, la mise en culture était l’étape préliminaire obligatoire pour réaliser l’inventaire taxonomique et fonctionnel des microorganismes au sein des environnements. Cependant ces techniques ne permettent d’isoler qu’une très faible fraction des populations microbiennes et tendent donc à être remplacées par des outils moléculaires haut-débit. Dans ce contexte, l’évolution des techniques de séquençage a laissé entrevoir de nouvelles perspectives en écologie microbienne mais l’utilisation directe de ces techniques sur des environnements complexes, constitués de plusieurs milliers d’espèces différentes, reste néanmoins encore délicate. De nouvelles stratégies de réduction ciblée de la complexité comme la capture de gènes ou les biopuces ADN représentent alors une bonne alternative notamment pour explorer les populations microbiennes même les moins abondantes. Ces stratégies à haut-débit reposent sur la détermination de sondes combinant à la fois une forte sensibilité, une très bonne spécificité et un caractère exploratoire. Pour concevoir de telles sondes plusieurs logiciels ont été développés : PhylGrid 2.0, KASpOD et ProKSpOD. Ces outils généralistes et polyvalents sont applicables à la sélection de sondes pour tout type de gènes à partir des masses de données produites à l’heure actuelle. L’utilisation d’architectures de calculs hautement parallèles et d’algorithmes innovants basés sur les k-mers ont permis de contourner les limites actuelles. La qualité des sondes ainsi déterminées a pu permettre leur utilisation pour la mise au point de nouvelles approches innovantes en écologie microbienne comme le développement de deux biopuces phylogénétiques, d’une méthode de capture de gènes en solution ainsi que d’un algorithme de classification des données métagénomiques. Ces stratégies peuvent alors être employées pour diverses applications allant de la recherche fondamentale pour une meilleure compréhension des écosystèmes microbiens, au suivi de processus de bioremédiation en passant par l’identification de tous types de pathogènes (eucaryotes, procaryotes et virus). / Microorganisms play a crucial role in all biological processes related to their huge metabolic potentialities. Until recently, the cultivation was a necessary step to appraise the taxonomic and functional diversity of microorganisms within environments. These techniques however allow surveying only a small fraction of microbial populations and tend to be consequently replaced by highthroughput molecular tools. While the evolution of sequencing technologies opened the door to unprecedented opportunities in microbial ecology, massive sequencing of complex environments, with thousands of species, still remains inconceivable. To overcome this limitation, strategies were developed to reduce the sample complexity such as gene capture or DNA microarrays.These high-throughput strategies rely on the selection of sensitive, specific and explorative probes. To design such probes several programs have been developed: PhylGrid 2.0, KASpOD and ProKSpOD. These multipurpose tools were implemented to design probes from the exponentially growing sequence datasets in microbial ecology. Using highly parallel computing architectures and innovative k-mers based strategies allowed overcoming major limitations in this field. The high quality probe sets were used to develop innovative strategies in microbial ecology including two phylogenetic microarrays, a gene capture approach and a taxonomic binning algorithm for metagenomic data. These approaches can be carried out for various applications including better understanding of microbial ecosystems, bioremediation monitoring or identification of pathogens (eukaryotes, prokaryotes and viruses).

Le microbiote intestinal joue un rôle primordial dans l’homéostasie du tractus gastro-intestinal, et plus généralement dans celle de son hôte. A ce titre, de nombreuses pathologies humaines sont associées à une dysbiose de ce microbiote intestinal, tels que les cancers colorectaux, les maladies inflammatoires chroniques de l’intestin (MICI), les troubles du métabolisme ou encore les maladies auto-immunes. Ces pathologies ont une étiologie mal connue et multifactorielle dans laquelle l’environnement semble jouer un rôle clé. Des études récentes ont ainsi mis en évidence un lien entre la pollution atmosphérique et des pathologies humaines telles que les MICI. Parmi les différentes substances polluantes répertoriées, le benzo[a]pyrène (BaP), qui fait partie de la famille des hydrocarbures aromatiques polycycliques, est soumis à une surveillance accrue en raison de ses effets toxiques sur la santé humaine. De par ses propriétés pro-inflammatoires et mutagènes, le BaP pourrait modifier la composition du microbiote intestinal, induisant alors à une réponse inflammatoire et à une altération des fonctions intestinales. Dans le cadre de ce travail de thèse, une surexposition orale et chronique au BaP en modèle murin a conduit à une inflammation modérée principalement au niveau de la muqueuse iléale. L’analyse des amplicons du gène codant l’ARNr 16S a mis en évidence des modifications de la composition et de l’abondance relative des communautés bactériennes fécales et associées à la muqueuse intestinale avec notamment une augmentation et une diminution des taxa pro et anti-inflammatoires respectivement. Ainsi, dans des conditions de susceptibilité génétique et/ou en association avec d’autres facteurs environnementaux, l’exposition à ce polluant pourrait déclencher et/ou accélérer le développement de pathologies inflammatoires. L’identification des potentialités métaboliques des différentes populations bactériennes caractérisées précédemment et impactées par le polluant revêt donc un caractère primordial. La reconstruction de génomes directement à partir de l’écosystème microbien peut permettre d’établir ce lien entre structure et fonction. C’est également dans ce contexte, qu’une approche innovante de capture de gènes en solution a été développée. En effet, cette technique d’enrichissement permet de reconstruire de larges portions génomiques pouvant relier un biomarqueur phylogénétique à des gènes fonctionnels, y compris pour des populations bactériennes présentes en très faible abondance dans l’écosystème. / Gut microbiota plays a primordial role in gastro-intestinal tract and host homeostasis. Numerous pathologies are associated with a gut microbiota dysbioses, such as colorectal cancer, inflammatory bowel diseases (IBD), metabolism disorders or autoimmune diseases. The physiopathology of these diseases has multifactorial aetiology in which environmental factors seem to play a crucial role. Recent evidences have highlighted a link between air pollution and human diseases such as IBD. Among the different pollutant listed, benzo[a]pyrene (BaP), which belong to the family of polycyclic aromatic hydrocarbons, is subject to an increase surveillance due to its toxic effects on human health. By its pro-inflammatory and mutagenic proprieties, BaP could lead to modifications of gut microbiota composition, then inducing an inflammatory response and an alteration of intestinal functions. As part of this thesis, BaP subchronic oral exposure in murine model has led to a moderate inflammation mostly in ileal mucosa. The analysis of ARNr 16S amplicons has highlighted composition and abundance alterations of faecal and mucosa-associated microbiota, especially with increase and decrease of pro and anti- inflammatory taxa respectively. Thus, under conditions of genetic susceptibility and/or in association with other environmental factors, exposure to this pollutant could trigger and/or accelerate the development of inflammatory pathologies. Metabolic potential identification of different bacterial populations previously characterized and affected by the pollutant appears therefore primordial. Genome reconstruction directly from microbial ecosystem could allow to establish this link between structure and function. Also in this context, an innovative approach of gene capture in solution was developed. Indeed, this enrichment technique allows to reconstruct large genomic portions that could link phylogenetic biomarker and functional genes, including for bacterial populations present at very low abundance in the ecosystem.

Le sol est essentiel à toute société humaine notamment pour la production d'aliments. Son fonctionnement repose sur des réseaux d'interactions entre les éléments qui le composent et toute perturbation modifie ces réseaux. Les microorganismes eucaryotes représentent une composante importante de l'écosystème édaphique car ils sont impliqués dans des processus essentiels comme la régulation de populations de procaryotes. Mais paradoxalement, ils restent peu étudiés comparés aux bactéries notamment lorsqu'on s'intéresse aux cycles biogéochimiques autres que celui du carbone comme par exemple ceux des métaux. Suite à une pollution par des métaux, certains de ces microorganismes eucaryotes développent des mécanismes « de résistance » cellulaires. Dans ce contexte, le laboratoire d'accueil a isolé, directement à partir d'extraits d'ARN de sol, des gènes eucaryotes impliqués dans la résistance cellulaire au Cd. Ces nouveaux gènes forment une famille codant des protéines riches en cystéines dont les positions sont conservées au sein de cette famille. Mon projet de thèse a eu pour but de caractériser l'origine taxonomique et la fonction de cette famille de gènes. Dans un premier temps, la purification de cinq de ces protéines produites dans Escherichia coli et leurs caractérisations biochimiques par des méthodes spectrométriques ont permis de montrer que cette famille génique constitue une nouvelle famille de métallothionéines capables de chélater in vitro le Zn, le Cu et le Cd. Dans un second temps, une méthode de quantification par PCR quantitative de l'expression de ces gènes, extraits à partir de sol provenant de microcosmes, a été mise au point. Dans un troisième temps, nous avons tenté d'obtenir les régions génomiques bordant ces gènes environnementaux afin d'affilier les organismes qui les portent à un groupe taxonomique et d'analyser les régions promotrices de ces gènes par capture ciblée de gènes / Soil is essential to human societies, especially for food production. Its functioning relies on interaction networks sensitive to environmental alterations. Eukaryotic microorganisms are an important component of the soil ecosystem where they are involved in essential processes such as the regulation of prokaryotic populations. However, they remain poorly studied compared to bacteria, especially concerning their roles in biogeochemical cycles other than the carbon one such as metal cycles. In response to soil metal contamination, some of these eukaryotic microorganisms develop cellular "resistance" mechanisms. In this context, the host laboratory has previously isolated, directly from soils, eukaryotic genes able to confer Cd resistance. These genes form a family coding for cysteine-rich proteins whose cysteine positions are conserved within this sequences. My thesis project aimed at characterizing the function and taxonomic origin of this gene family. First, the purification of five of these proteins produced in Escherichia coli and their biochemical characterizations by spectrometric methods demonstrated that this gene family constitutes a new family of metallothioneins capable of chelating in vitro Zn, Cu and Cd. Some of these proteins are also able to confer Zn resistance when expressed in a sensitive yeast strain. In a second step, quantitative PCR methods for measuring expression levels of these genes in soil microcosms were developed. This will allow to evaluate the level of expression of these genes as a function of an increasing supply of exogenous metal. In a third step, we tried to obtain the genomic regions flanking these environmental genes in order to be able to associate the organisms from which they originate to a taxonomic group and to analyze the promoter regions of these genes using targeted capture

La dégradation des fibres alimentaires est une fonction essentielle des écosystèmes digestifs microbiens. Chez le ruminant, elle est assurée par des bactéries, champignons et protozoaires capables de produire de nombreuses enzymes nécessaires à l’hydrolyse des polysaccharides de paroi végétale. Parmi les facteurs susceptibles d’influencer l’efficacité de dégradation des fibres, qui est une composante importante de la productivité et de la santé animales, des additifs tels que des levures probiotiques apparaissent comme un levier intéressant. Afin d’approfondir les connaissances sur les facteurs de modulation de l’activité fibrolytique, une biopuce ADN fonctionnelle, outil moléculaire haut-débit, ciblant les gènes codant les enzymes clés de la dégradation de la cellulose et des xylanes dans les écosystèmes digestifs a été développée. Aussi, une méthode efficace dédiée à des échantillons ruminaux pour la soustraction des ARNr à partir des ARN totaux a été mise au point afin d’accroitre la sensibilité de l’outil. La biopuce fonctionnelle a été validée sur échantillons de complexité croissante et démontre d’excellents caractères de spécificité et de sensibilité tout en étant exploratoire et quantitative. Des régulations différentielles de l’arsenal des gènes de la fibrolyse de la bactérie du rumen Fibrobacter succinogenes ont pu être montrées. De même, les résultats sur échantillons de rumen suggèrent un rôle des microorganismes eucaryotes dans la fibrolyse pouvant être plus important qu’initialement envisagé. Cette approche métatranscriptomique dirigée pourra in fine continuer d’être appliquée dans l’étude de l’impact de facteurs biotiques et abiotiques sur la fonction fibrolytique microbienne chez les animaux d’élevage. / Dietary fibre degradation is an essential function of microbial digestive ecosystems. In ruminants, this function is ensured by bacteria, fungi and protozoa, producing a large array of enzymes able to degrade plant cell wall polysaccharides. Among factors likely to influence the efficiency of fibre degradation, which is an important component in animal productivity and health, dietary additives such as probiotic yeasts appear as an interesting tool. To provide more insight on factors modulating fibrolytic activity, we designed a functional DNA microarray targeting genes coding for key enzymes involved in cellulose and xylan degradation by digestive microbiota. Also, an efficient method dedicated to rumen samples for removing microorganisms’ rRNA from total RNA samples was developed to increase the sensitivity of the tool. The DNA microarray was validated using targets of increasing complexity and demonstrated sensitivity and specificity as well as explorative and quantitative potential. Differential expression of genes involved in fibrolysis was evidenced in the rumen bacterium Fibrobacter succinogenes. Moreover, results on rumen samples suggest a more important role of eucaryotes in fibre degradation than previously thought. This targeted metatranscriptomic approach will be further applied to the study of the impact of biotic and abiotic factors on the microbial mechanisms of fibre degradation in livestock.

Les microorganismes représentent la forme de vie la plus diverse et abondante sur Terre et jouent un rôle fondamental dans tous les processus biologiques. Cependant, du fait de la grande diversité des communautés microbiennes, la caractérisation fine des environnements complexes reste difficile par les approches moléculaires actuelles de PCR et de métagénomique. En effet, ces approches ne conduisent qu’à une caractérisation partielle des communautés et ne permettent pas systématiquement d’associer la structure des communautés aux fonctions métaboliques réalisées. L’approche de capture de gènes par hybridation appliquée à des échantillons métagénomiques complexes a démontré son intérêt pour révéler toute la diversité connue mais aussi inconnue des biomarqueurs fonctionnels ciblés, ainsi que pour enrichir leurs régions flanquantes sur quelques centaines de permettant en évidence des associations de gènes. Ainsi, les travaux de thèse ont visé à développer une nouvelle méthode de capture de gènes par hybridation capable d’enrichir de façon ciblée de larges régions génomiques à partir d’échantillons complexes, permettant ainsi de faire le lien entre structure et fonction des communautés microbiennes. Ces développements ont nécessité la détermination de sondes de capture, l’utilisation d’une méthode d’extraction d’ADN de haut poids moléculaire et la mise au point d’un protocole de capture permettant de piéger des fragments nucléiques de grande taille (jusqu’à 50 kb). La validation de la méthode de capture par hybridation sur un échantillon environnemental de sol a permis de révéler tout son potentiel. Appliquée au gène exprimant l’ARNr 16S, cette stratégie a permis de révéler une diversité microbienne non accessible par les approches moléculaires conventionnelles, avec une résolution d’identification jusqu'au niveau de l’espèce rendue possible grâce à la reconstruction de la séquence complète de ce marqueur phylogénétique. Appliquée à un gène fonctionnel, elle a conduit à la reconstruction de la séquence du biomarqueur et de ses régions flanquantes pouvant atteindre plusieurs dizaines de kb, permettant d’identifier les microorganismes possédant les capacités métaboliques d’intérêt. Ainsi, la capture par hybridation représente une approche alternative prometteuse pour le diagnostic environnemental en conduisant à une meilleure caractérisation des communautés microbiennes. / Microorganisms are the most diverse and abundant life forms on Earth and are key players in thefunctioning of all biological processes. Nevertheless, PCR and metagenomics strategies aiming to describemicrobial communities are hampered by their huge diversity. Indeed, these molecular methods only drive to apartial description of communities and do not systematically allow linking functions back to the identities of themicroorganisms. Hybridization capture applied to complex metagenomic samples has demonstrated its efficiency to reveal all known and unknown diversity of targeted biomarkers, and to enrich their flanking regions over a few hundred bp facilitating the discovery of gene associations.Thus, this work aimed at developing a new hybridization capture method capable of specifically enrichinglarge genomic regions from complex samples allowing to associate structure and functions of communities. Thedevelopment of this method required the design of capture probes, the use of a high molecular weight DNAextraction method, and the elaboration of a capture protocol dedicated to the enrichment of large genomicfragments (up to 50 kbp).The validation of the hybridization capture method on an environmental soil sample uncovered all itspotential. Applied to the 16S rRNA gene, this strategy revealed greater microbial diversity than conventionalmolecular methods and improved phylogenetic resolution up to the species level thanks to the reconstruction offull-length genes. Applied to a functional gene, the method enabled the reconstruction of large genomic regionscarrying the targeted biomarker and its flanking regions over several tens of kbp, leading to the identification ofmicroorganisms with specific metabolic functions. Hybridization capture thus appears as a promising alternativemethod for environmental diagnosis, through providing a better knowledge of microbial communities.