La biologie synthétique est une discipline émergente consistant principalement en la modification génomique d'organismes vivants. Ces modifications complexes visent la programmation de systèmes biologiques pour accomplir des fonctions spécifiques parfois absentes dans la nature. Ce domaine se divise en plusieurs branches dont l’élaboration d’un châssis cellulaire minimal. En effet, depuis déjà plus d’une dizaine d’années, un grand intérêt est porté vers la création d’une cellule simplifiée. Le génome d’une telle cellule contiendrait seulement ce qui est nécessaire à sa survie en condition de laboratoire. Cette cellule possèderait pour principal avantage de permettre une meilleure compréhension de son fonctionnement global en plus d’éventuellement devenir un modèle d’étude pour la modification et la restructuration des génomes. Elle sera également plus fiable dans un contexte d’ingénierie métabolique puisqu’elle contiendra moins de circuits géniques, diminuant le nombre d’interactions non désirées. Une cellule minimale serait donc un sujet d’étude fascinant en plus d’être un organisme facilement reprogrammable, constituant ainsi une pierre angulaire pour le développement de la biologie synthétique. La présente étude concerne la réduction génomique de la bactérie Escherichia coli. Nous avons choisi cette dernière puisque de nombreux outils moléculaires permettant de modifier son génome sont disponibles et puisqu’une littérature très dense la concernant a été cumulée au fil des ans. Plusieurs projets de réduction ont été entamés avec cet organisme et les génomes produits ne semblent pas pouvoir atteindre moins de 3,0 Mpb sans présenter des défauts considérables de croissance. Nous avons donc sélectionné la souche simplifiée DGF298, dont le génome fait 3,0 Mpb et permet la croissance en milieu minimal, pour générer des mutants d’insertion ou de délétion et les avons suivis dans plusieurs conditions distinctes afin de déterminer si cette souche possédait encore des gènes facultatifs. Ce mémoire traite principalement des résultats obtenus dans un milieu riche et défini. Les données ainsi générées suggèrent que le génome de cette souche peut être réduit considérablement, puisque plus de 73 % de ses séquences codantes ne semblent pas être importantes en milieu riche. Une partie de ces éléments facultatifs peut cependant être impliquée pour la survie dans certaines conditions, telles qu’en présence d’une source de carbone autre que le glucose ou en absence d’oxygène. Lors de la réduction subséquente, il faudra donc déterminer le niveau d’adaptabilité désiré pour la souche.

La pathogénicité des bactéries a toujours été attribuée à des facteurs de virulence et les bactéries pathogènes sont considérées comme étant mieux armées, comparé à des bactéries ne provoquant pas de maladies. Selon les premières études génomiques, le fait de supprimer un certain nombre de gènes des bactéries pathogènes, limiterait leur capacité à infecter leurs hôtes. Au contraire, des études de génomique comparatives récentes, démontrent que la spécialisation des bactéries dans les cellules eucaryotes est associée à une perte de gènes massive, en particulier pour les endosymbiontes allopatriques qui sont isolés depuis longtemps dans une niche intracellulaire. En effet, les bactéries sympatriques, extracellulaires, ont souvent des génomes plus grands et présentent une résistance et une plasticité plus importante. Ces bactéries constituent, de fait, plutôt des complexes d’espèces que de vraies espèces. Certaines bactéries spécialistes, comme les bactéries pathogènes, arrivent à s’échapper de ces complexes et à coloniser une niche, bénéficiant alors d’un nom d’espèce. Leur spécialisation leur permet de devenir allopatriques et leurs pertes de gènes favorisent une évolution réductive. Ces observations nous ont conduits à réaliser une étude afin de quantifier le taux de perte de gènes lors de l’évolution de ces bactéries extracellulaires vers celle de bactéries spécialistes intracellulaires. Notre objectif était de vérifier que ce qui caractérise l’évolution des bactéries intracellulaires est bien la réduction génomique, en prenant en compte tous les événements possibles de gains de gènes. Par ailleurs, dans une étude neutre comparant les 12 espèces pandémiques les plus dangereuses pour l’homme avec les espèces non-épidémiques les plus proches, nous avons voulu identifier des spécificités génomiques associées à la capacité virulente de bactéries pathogènes et démontrer que, à part les toxines et les modules toxine-antitoxine, ce qui caractérise ces espèces ce ne sont pas les facteurs de virulence, mais la perte des gènes de régulation. Au final, les bactéries pathogènes ont un répertoire virulent dans lequel les gènes absents sont aussi importants que les gènes présents. / The virulence of pathogenic bacteria has been attributed to virulence factors and pathogenic bacteria are considered to have more genes compared to bacteria that do not cause disease. According to the first genomic studies, removing a certain number of genes from pathogenic bacteria impairs their capacity to infect hosts. However, more recent studies have demonstrated that the specialization of bacteria in eukaryotic cells is associated with massive gene loss, especially for allopatric endosymbionts that have been isolated for a long time in an intracellular niche. Indeed, bacteria living in sympatry often have bigger genomes and exhibit greater resistance and plasticity and constitute species complexes rather than true species. Specialists, including specific pathogenic bacteria, escape these bacterial complexes and colonize a niche; thereby gaining a species name. Their specialization allows them to adopt allopatric lifestyle and experience reductive genome evolution. These observations led us to design a study to quantify the rate of gene losses during the evolution of free-living bacteria to intracellular specialists. Our objective was to verify that what characterizes the evolution of intracellular bacteria is genomic reduction, taking under consideration all possible gene gain events. Furthermore, in another neutral study comparing the 12 most dangerous pandemic bacteria to Humans to their closest non-epidemic species, we wished to identify any genomic specificities associated to the virulent capacity of pathogenic bacteria and demonstrate that, besides toxins and surprisingly, toxin-antitoxin modules, pathogenic bacteria are not characterized by more virulence factors, but rather by a loss of regulatory genes. Finally, virulent bacteria exhibit a genomic repertoire in which absent genes are as important as present ones.