Chez l’homme, la dégradation des fibres alimentaires est une des fonctions principales du microbiote colique. Elles ont de nombreux effets bénéfiques en santé humaine et pourtant les mécanismes microbiens mis en jeu dans leur dégradation restent encore largement méconnus. L’objectif de cette thèse était d’approfondir les connaissances sur la dégradation des polysaccharides pariétaux (hémicelluloses et pectines) par une espèce bactérienne prédominante du côlon de l’homme, Bacteroides xylanisolvens. L’analyse du transcriptome de B. xylanisolvens XB1AT a révélé l’existence de six et deux loci génomiques respectivement dédiés à la dégradation des pectines et des xylanes. Ces loci ou PULs (« Polysaccharide Utilization Loci ») sont connus chez Bacteroides pour coder pour des systèmes enzymatiques spécifiques d’un polysaccharide en particulier. L’analyse des CAZymes (Carbohydrate-Active Enzymes) codées par les PULs « pectinolytiques » a permis de proposer une cible polysaccharidique (homogalacturonane, rhamnogalaturonane de type I et II, arabinane) à cinq des six PULs identifiés. Les deux PULs « xylanolytiques » cibleraient les xylanes de faible complexité. La mutation du gène susC-like dans le PUL 49 et du gène HTCS (Hybrid Two-Component System) dans le PUL 43 a démontré l’importance respective de ces deux loci dans la fonction pectinolytique et xylanolytique de la bactérie. Le mutant HTCS a aussi permis de montrer pour la première fois que deux PUL peuvent être liés au niveau transcriptionnel. En présence de xylane, les données de protéomique ont souligné la surproduction par la bactérie d’une endo-xylanase possédant deux CBMs (Carbohydrate-Binding Modules). Cette enzyme modulaire pourrait être considérée comme un marqueur fonctionnel de la xylanolyse dans l’écosystème microbien intestinal. En conclusion, B. xylanisolvens déploie une machinerie enzymatique qui reflète la complexité des polysaccharides pariétaux de plantes. La plasticité métabolique de B. xylanisolvens vis-à-vis des fibres alimentaires contribue certainement à sa survie et son maintien dans le côlon humain. Des études d’écologie fonctionnelle ciblant la communauté fibrolytique intestinale sont encore nécessaires afin de mieux décrypter l’impact des fibres alimentaires et en particuliers des polysaccharides pariétaux sur le métabolisme microbien intestinal et par conséquent sur la santé humaine. / Dietary fiber degradation is a key function of the human gut microbiota. They have many beneficial effects on human health and yet microbial mechanisms involved in their degradation remain largely unknown. The aim of this thesis was to increase our knowledge on the degradation of plant cell wall polysaccharides (hemicelluloses and pectins) by a prominent human gut bacterial species, Bacteroides xylanisolvens. The transcriptome analysis of B. xylanisolvens XB1AT revealed the existence of six and two genomic loci dedicated to the degradation of pectins and xylan, respectively. These loci or PUL ("Polysaccharide Utilization Loci") are known to encode enzyme systems in Bacteroides that are specific to a particular polysaccharide. Analysis of the CAZymes (Carbohydrate-Active Enzymes) encoded by the "Pectinolytic" PULs allowed us to propose a polysaccharide target (homogalacturonan, type I and type II rhamnogalaturonane, arabinan) to five of the six identified PULs. The two identified "xylanolytic" PULs would target low complexity xylan. Mutation of the susC-like gene of PUL 49 and of the HTCS gene (Hybrid Two-Component System) of PUL 43 showed the importance of these two loci in pectinolytic and xylanolytic functions of the bacterium, respectively. The HTCS mutant also revealed for the first time that two PULs can be linked at the transcriptional level. With xylan, proteomic data highlighted the overproduction by the bacterium of an endo-xylanase with two CBMs (Carbohydrate-Binding Modules). This modular enzyme could be considered as a functional marker of xylan breakdown in the intestinal microbial ecosystem. In conclusion, B. xylanisolvens harbors an enzymatic machinery that reflects the complexity of plant cell wall polysaccharides. The metabolic plasticity of B. xylanisolvens towards dietary fibers certainly contributes to its fitness in the human gut. Functional and ecological studies targeting the intestinal fibrolytic community are still necessary to better understand the impact of dietary fibers and in particular plant cell wall polysaccharides on the intestinal microbial metabolism and consequently on human health.

Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet Futurol, un projet national français qui vise à produire du bioéthanol à partir de biomasses végétales telles que le bois ou la paille de céréale. Pour cela, la biomasse doit être prétraitée puis digérée enzymatiquement pour libérer des sucres fermentescibles. Ma contribution dans ce projet a été de découvrir des enzymes originales pour l’hydrolyse de l’hémicellulose, un hétéropolysaccharide, constituant majeur de la paroi cellulaire des cellules végétales. Afin de rechercher de nouveaux biocatalyseurs, une approche de métagénomique a été adoptée afin de sonder les intestins de deux espèces de termites : N. corniger, un termite xylophage, et T. hispaniolae un termite humivore / xylophage. 30 000 clones métagénomiques ont été criblés sur 10 substrats cellulosiques et hémicellulosique, et 660 hits ont été obtenus. La comparaison phénotypique a montré une différence claire entre ces deux banques, probablement liée au régime alimentaire des deux espèces de termite. Le séquençage de 45 clones N. corniger a révélé 120 séquences codant pour des enzymes originales, de nombreuses étant multimodulaires et / ou organisées en cluster de gènes. Dans un second temps, une approche à haut-débit a été adoptée pour le clonage, l’expression et la caractérisation légère de 104 enzymes entières ou formes tronquées. 45 protéines recombinantes ont été produites de manière soluble, et les activités de 19 enzymes et de 12 modules enzymatiques ont été montrées, permettant la mise au point d’une boite à outil hemicellulolytique. Dans certains cas, l’activité de modules classés « Inconnus » a pu être déterminée. Cette approche a été particulièrement pertinente dans le cas de Pm69, une enzyme multimodulaire GH3-UNK-CBM48-CE1 montrant les 3 activités glucosidase, xylosidase and estérase. Cette étude a permis de poser les bases d’un brevet sur cette enzyme. D’un autre côté, les enzymes ayant montré une activité xylanase ou féruloyle-estérase se sont révélées complémentaires d’un cocktail cellulolytique durant la dégradation de paille de blé prétraitée. Enfin, dans une troisième partie, nous avons étudié un fragment d’ADN provenant la banque P. militaris, codant pour 19 ORFs et appartenant à une espèce du genre Bacteroides. La caractérisation biochimique d’Abn43A, Abn43B, Abf51A et Abf51B-trunc a montré que ces 4 enzymes portent des actions complémentaires sur l’hydrolyse de l’arabinane, et qu’elles peuvent agir de manière synergique pour la dégradation de ce polymère pectique. Enfin, l’étude détaillée des 19 ORFs codées sur ce fragment d’ADN nous a permis de proposer un schéma global de détection, d’hydrolyse et de métabolisation de l’arabinane par cette espèce du genre Bacteroides. / This thesis was performed in the context of the Futurol project, a French national project that aims at producing bioethanol from plant biomass such as wood and cereal straw. To reach that goal, the biomass must be pretreated, and enzymatically degraded to release fermentable simple sugar. My implication in that project was to discover original enzymes that can hydrolyze the hemicellulose, a major heteropolysaccharide found in plant cell wall.To mine for new biocatalysts, the gut microbial communities of two species of termite were investigated by a metagenomic approach : Nasutitermes corniger, a wood-feeder termite, and Termes hispaniolae supposed to be a soil-wood feeder. 30 000 metagenomic clones were screened on an array of 10 cellulosic and hemicellulosic substrates and 660 hits were obtained. Phenotypic comparison showed clear differences between both environments, probably related to the diet of the termite. The sequence of 45 N. corniger metagenomic inserts revealed 120 original sequences encoding for putative enzymes of interest. Original sequences encoding for multimodular enzymes were revealed and many ORFs were organized in clusters, suggesting that these enzymes are encoded on Polysaccharides Utilization Locus. In a second part, a high-throughput approach was used for the cloning, the expression and the slight characterization of 104 full-size and truncated enzymes. Forty five recombinant proteins were produced soluble, and their investigation revealed the activity of 19 enzymes and of 12 enzymatic modules, representing a hemicellulolytic tool-box for endo- and exo-type activities. In some cases, the implication of “Unkown” domains in the activity of multimodular enzymes was demonstrated. This approach was particularly efficient for the study of the GH3-UNKCBM48-CE1 Pm69, and this study triggered the patent process for this multiactive glucosidase, xylosidase and esterase. The xylanases and the feruloyl esterases were shown to be particularly efficient to supplement cellulolytic cocktails on pretreated wheat straw. In a third part, we investigated a DNA fragment belonging to a species of the genus Bacteroides and that encoded 19 ORFs. The biochemical characterization of Abn43A, Abn43B, Abf51A and Abf51B-trunc showed that these four enzymes harbored complementary actions for the hydrolysis of the arabinan, and that they can act synergistically for the hydrolysis of this pectic polymer. We also revealed that Abn43B had an original mode of action that we classified as exo-arabinanase. Finally, the in-depth study of the 19 ORFs allowed us to propose the entire scheme for arabinan detection, hydrolysis and utilization by the Bacteroides species carrying this DNA sequence