Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ingeniería Química y Biotecnología / Streptomyces leeuwenhoekii C34 es un actinomiceto aislado del desierto de Atacama, Chile, productor de los antibióticos chaxamicinas A a D y chaxalactinas A a C. El objetivo de este trabajo fue identificar los genes involucrados en la biosíntesis de chaxamicinas y chaxalactinas y producir chaxamicinas en un huésped heterólogo. Capítulo Uno detalla procedimientos de crecimiento y modificación genética de S. leeu- wenhoekii C34. La temperatura óptima para producción de chaxamicinas en medio líquido fue 30 °C, y la que permitió alcanzar altos niveles de esporulación en medio sólido fue 37 °C. S. leeuwenhoekii C34 fue sensible a tioestreptona, apramicina, higromicina B y kanamicina, mientras que no a ácido nalidíxico, antibióticos usados para seleccionar bac- terias genéticamente modificadas. Un vector sensible a temperatura (pGM1190) y otro con un sistema de integración del fago C31 (pSET152) fueron exitosamente transferi- dos a S. leeuwenhoekii C34 por conjugación con una cepa que no metila ADN, E. coli ET12567/pUZ8002. Suplementación del medio de conjugación con 120 mM MgCl2 ó 60 mM CaCl2, incrementó la frecuencia de conjugación de forma significativa, comparado con el control sin adición de sales. En este trabajo se demostró que S. leeuwenhoekii C34 incorpora ADN foráneo no metilado. Capítulo Dos describe la identificación y expresión heteróloga de los genes de biosín- tesis de chaxamicinas. El genoma de S. leeuwenhoekii C34 fue secuenciado de novo combinando tecnologías de secuenciación Illumina y PacBio. Un grupo de 27 genes (80,2 kb, locus 1.210.347 1.290.550), codifica enzimas para la biosíntesis de chaxam- icinas. pIJ12853 contenía un inserto del genoma de S. leeuwenhoekii C34 de 145 kb que incluye el segmento de 80,2 kb, el que fue transferido a una cepa que no produce chaxamicinas, S. coelicolor M1152, resultando en la producción de chaxamicinas A D, confirmando que los genes presentes en pIJ12853 codifican para la ruta de biosíntesis de chaxamicinas. Genes del huésped heterólogo podrían estar involucrados en biosíntesis y/o exporte de estas moléculas. La deleción del gen AHBA sintasa (cxmK) en S. leeu- wenhoekii C34, dio origen a la cepa M1653 que pierde su capacidad de producir chax- amicinas. Para demostrar que la interrupción en la producción de chaxamicinas fue sólo debido a su incapacidad de producir AHBA, un cultivo líquido de M1653 suplementado con AHBA comercial permitió restablecer la producción de chaxamicinas. Esto es una prueba más de que el los genes de biosíntesis de chaxamicinas fueron identificados. Capítulo Tres describe la identificación bioinformática de los genes de biosíntesis de chaxalactinas. Una secuencia de 80,7 kb (locus 7.146.903 7.227.608) contenía genes codificantes de 5 subunidades de una policétido sintasa, cuya arquitectura de dominios coincidía con la predicha para biosíntesis de chaxalactina A. Un gen que codifica una citocromo P450 sería responsable de la hidroxilación C-14 de chaxalactina A que da ori- gen a chaxalactina B. Dos genes codificantes de O-metiltransferasas estarían involucra- dos en una O-metilación C-13 de chaxalactina B, que da origen a chaxalactina C.

Les dicétopipérazines (DKP : diketopiperazines) sont une classe de produits naturels largement utilisée en médecine. Chez les organismes producteurs, elles peuvent servir de facteurs de virulence, de molécules de signalisation ou encore être impliquées dans la concurrence entre (micro-)organismes ou la défense contre les prédateurs, mais souvent leur rôle est inconnu. Elles peuvent être synthétisées par deux voies de biosynthèse principales : soit par des voies dépendant de synthétases de peptides non ribosomiques (NRPS: Non Ribosomal Peptide Synthetase), des complexes enzymatiques de grande taille utilisant comme substrats les acides aminés protéinogènes ou non, soit par des voies dépendant des cyclodipeptide synthases (CDPS), de petites enzymes utilisant comme substrats des ARNt chargés. Je me suis intéressé à ce deuxième type de voie de biosynthèse. J’ai d’abord participé à une étude visant à caractériser la diversité des CDPS et des DKP synthétisées par ces enzymes. Ce travail a permis d’élargir le champ des CDPS caractérisées expérimentalement, de démontrer l’incorporation par ces enzymes de 17 acides aminés dans des DKP et de poser les bases de la prédiction des DKP synthétisées grâce à l’identification dans la séquence protéique des CDPS de motifs de résidus responsables de la sélection du substrat. J’ai ensuite étudié chez Streptomyces venezuelae un cluster de gènes homologues à des gènes essentiels impliqués chez Mycobacterium tuberculosis dans la biosynthèse d’une dicétopipérazine. J’ai enfin identifié chez Streptomyces aizunensis les gènes dirigeant la biosynthèse de la bicyclomycine, un antibiotique de la famille des DKP utilisé en médecine. Je présente la caractérisation complète de la voie de biosynthèse de la bicyclomycine. Cette biosynthèse fait intervenir une CDPS, cinq dioxygénases dépendantes du fer et du 2-oxoglutarate et une monooxygénase de la famille des cytochromes P450. C’est la voie la plus complexe dépendante de CDPS jamais décrite, la seule contenant plusieurs enzymes d’oxydoréduction et la première voie de biosynthèse d’une molécule utilisée en médecine dépendante d’une CDPS. / Diketopiperazines (DKP) are a class of natural products widely used in medicine. In producer organisms, they may act as virulence factors, signaling molecules or may be involved in competition between (micro-) organisms or defense against predators, but often their role is unknown. They can be synthesized by two main biosynthetic pathways: either by non-ribosomal peptide synthetase (NRPS) dependent pathways, NRPSs being large enzyme complexes using proteinogenic or non-proteinogenic amino acids as substrates, or by Cyclodipeptide synthases (CDPS), small enzymes using loaded tRNAs as substrates. I was interested in this second type of biosynthetic pathway. I first participated in a study having as a goal to characterize the diversity of CDPSs and DKPs synthesized by these enzymes. This work enabled to widen the field of experimentally characterized CDPSs, to demonstrate the incorporation by these enzymes of 17 amino acids in DKPs and to lay the bases for the prediction of the DKPs synthesized thanks to the identification in the protein sequence of CDPSs of residue patterns responsible for substrate selection. I then studied in Streptomyces venezuelae a cluster of genes homologous to essential genes involved in Mycobacterium tuberculosis in the biosynthesis of a diketopiperazine. I finally identified in Streptomyces aizunensis the genes directing the biosynthesis of bicyclomycin, an antibiotic of the DKP family used in medicine. I present the complete characterization of the bicyclomycin biosynthetic pathway. This biosynthesis involves a CDPS, five iron-2-oxoglutarate-dependent dioxygenases and a cytochrome P450 monooxygenase. It is the most complex CDPS-dependent pathway ever described, the only one containing several redox enzymes and the first CDPS-dependent biosynthetic pathway for a molecule used in medicine.

Depuis plus de 80 ans, le métabolisme spécialisé nous fournit de nombreuses molécules utilisées en médecine, en particulier comme anti-infectieux. Aujourd’hui, avec l’augmentation mondiale de la résistance aux antimicrobiens, de nouveaux antibiotiques sont indispensables. Une des réponses à cette pénurie grave pourrait provenir de la biologie synthétique. Dans le domaine du métabolisme spécialisé, la biologie synthétique est utilisée en particulier pour la biosynthèse de métabolites non naturels. Parmi les métabolites spécialisés, les peptides non ribosomiques constituent une cible attrayante, car ils nous ont déjà fourni des molécules à haute valeur clinique (ex. les antibiotiques vancomycine et daptomycine). De plus, la plupart sont synthétisés par des enzymes multimodulaires appelées synthétases de peptides non ribosomiques (NRPS), et sont diversifiés davantage par des enzymes de décoration. Ainsi, ces voies de biosynthèse se prêtent particulièrement à la biosynthèse combinatoire, consistant à combiner des gènes de biosynthèse provenant de divers groupes de gènes ou, dans le cas des NRPS, à combiner des modules ou domaines pour créer de nouvelles enzymes. Cependant, si plusieurs études ont établi la faisabilité de telles approches, de nombreux obstacles subsistent avant que les approches combinatoires de biosynthèse soient totalement efficaces pour la synthèse de nouveaux métabolites. Les travaux présentés ici s’inscrivent dans le cadre d’un projet visant à comprendre les facteurs limitant les approches de biosynthèse combinatoire basées sur les NRPS, en utilisant une approche de biologie synthétique. Nous avons choisi de travailler avec les NRPS responsables de la biosynthèse des pyrrolamides. En effet, ces NRPS sont constitués uniquement de modules et de domaines autonomes, et donc particulièrement adaptés aux manipulations génétiques et biochimiques. La caractérisation du groupe de gènes de biosynthèse du pyrrolamide anthelvencine constitue la première partie de cette thèse et nous a fourni de nouveaux gènes pour notre étude. La deuxième partie a consisté à construire de vecteurs intégratifs modulaires, outils essentiels pour la construction et l’assemblage de cassettes génétiques. La dernière partie présente la reconstruction du groupe de gènes du pyrrolamide congocidine, basée sur la construction et l’assemblage de cassettes de gènes synthétiques. Dans l’ensemble, ces travaux ouvrent la voie à de futures expériences de biosynthèse combinatoire, expériences qui devraient contribuer à une meilleure compréhension du fonctionnement précis des NRPS. / For more than 80 years, specialized metabolism has provided us with many molecules used in medicine, especially as anti-infectives. Yet today, with the rise of antimicrobial resistance worldwide, new antibiotics are crucially needed. One of the answers to this serious shortage could arise from synthetic biology. In the field of specialized metabolism, synthetic biology is used in particular to biosynthesize unnatural metabolites. Among specialized metabolites, non-ribosomal peptides constitute an attractive target as they have already provided us with clinically valuable molecules (e.g. the vancomycin and daptomycin antibiotics). In addition, most are synthesized by multimodular enzymes called non-ribosomal peptide synthetases (NRPS) and further diversified by tailoring enzymes. Thus, such biosynthetic pathways are particularly amenable to combinatorial biosynthesis, which consists in combining biosynthetic genes coming from various gene clusters or, in the case of NRPSs, combining modules or domains to create a new enzyme. Yet, if several studies have established the feasibility of such approaches, many obstacles remain before combinatorial biosynthesis approaches are fully effective for the synthesis of new metabolites. The work presented here is part of a project aiming at understanding the limiting factors impeding NRPS-based combinatorial biosynthesis approaches, using a synthetic biology approach. We chose to work with the NRPSs involved in the biosynthesis of pyrrolamides. Indeed, these NRPS are solely constituted of stand-alone modules and domains, and thus, particularly amenable to genetic and biochemical manipulations. The characterization of the biosynthetic gene cluster of the pyrrolamide anthelvencin constitutes the first part of this thesis, and provided us with new genes for our study. The second part involved the construction of modular integrative vectors, essential tools for the construction and assembly of gene cassettes. The final part presents the successful refactoring of the congocidine pyrrolamide gene cluster, based on the construction and assembly of synthetic gene cassettes. Altogether, this work paves the way for future combinatorial biosynthesis experiments that should help deciphering the detailed functioning of NRPSs.

Le nombre des génomes bactériens séquencés disponibles dans les bases des données ne cesse d’augmenter. Grâce au développement d’outils bio informatiques, l’exploration de ces données génomiques est devenue beaucoup plus aisée. Ces analyses génomiques révèlent qu’un important réservoir de gènes du métabolisme spécialisé, et potentiellement de métabolites bioactifs, reste encore à explorer. J’ai étudié le métabolisme spécialisé d’une souche de Streptomyces appelée Streptomyces sp.TN58, isolée à partir d’un échantillon de sol tunisien et retenue pour son spectre d’activité biologique assez large. Son génome a été séquencé dans le cadre de ce travail. Je me suis particulièrement intéressée à la biosynthèse de deux familles de métabolites spécialisés, les acyl alpha-L-rhamnopyranosides et les dicétopipérazines.Les acyl alpha-L-rhamnopyranosides sont des composés qui possèdent un groupement rhamnose lié à un groupement acyle. Ils présentent plusieurs activités d’intérêt médical (antitumorale, antifongique, antibactérienne…). Leur biosynthèse par des Streptomyces a déjà été décrite, mais aucune étude de leur voie de biosynthèse n’est disponible dans la littérature. La souche Streptomyces sp.TN58 était connue pour produire deux molécules de cette famille. J’ai montré qu’elle en produisait une troisième et j’ai recherché quels gènes dirigeaient leur biosynthèse. J’ai pu identifier les gènes impliqués dans la biosynthèse du précurseur rhamnose et montrer qu’ils sont impliqués dans la biosynthèse des acyl alpha-L-rhamnopyranosides. Les gènes localisés au voisinage de ceux qui dirigent la biosynthèse du rhamnose ne sont pas impliqués dans la biosynthèse des acyl alpha-L-rhamnopyranoides. Cette organisation est originale, car tous les gènes impliqués dans la biosynthèse d’un métabolite spécialisé ne sont pas groupés, contrairement à ce qui est classiquement trouvé chez les Streptomyces et plus généralement chez les microorganismes. L’analyse du génome de Streptomyces sp. TN58 a permis l’identification d’autres gènes candidats, mais l’inactivation de certains de ces gènes n’abolit pas la biosynthèse des trois molécules d’acyl alpha-L-rhamnopyranoside. Ceci peut suggérer plusieurs enzymes promiscuitaires pourraient être impliquées dans la biosynthèse des acyl alpha-L-rhamnopyranosides.Les dicétopipérazines sont des dérivés de dipeptides cycliques et constituent une classe de produits naturels possédant des activités biologiques diverses, mais leur rôle physiologique chez l’organisme producteur reste peu connu. Elles peuvent être synthétisées par des mégacomplexes enzymatiques, les synthétases de peptides non ribosomiques (NRPS), ou par des cyclodipeptides synthases (CDPS). Ces dernières sont des enzymes de petite taille utilisant des ARN de transfert amino-acylés comme substrat. Les cyclodipeptides synthétisés peuvent subir différentes modifications, ce qui explique la diversité de leur structure chimique. L’analyse du génome de Streptomyces sp.TN58 a permis d’identifier un cluster de deux gènes (codant une CDPS et un cytochrome P450) homologues à des gènes impliqués dans la biosynthèse d’une dicétopipérazine (la mycocyclosine) chez Mycobacterium tuberculosis. J’ai identifié les produits dont la biosynthèse est dirigée par ces gènes. J’ai construit des souches mutées pour tester l’hypothèse d’un rôle de ces produits dans la signalisation pour la différenciation morphologique et la production d’antibiotiques chez Streptomyces sp.TN58. Les premiers résultats obtenus semblent en accord avec cette hypothèse. / The number of sequenced bacterial genomes available in databases is steadily increasing. With the development of bioinformatics tools, the exploration of these genomic data has become much easier. These genomic analyzes reveal that an important reservoir of genes for specialized metabolism, and potentially bioactive metabolites, remains to be explored. The vast majority of bacterial specialized metabolism was therefore ignored. I studied the specialized metabolism of a Streptomyces strain called Streptomyces sp.TN58, isolated from a Tunisian soil sample and retained for its broad spectrum of biological activity. Its genome has been sequenced in the frame of this work. I was particularly interested in the biosynthesis of two families of specialized metabolites, acyl alpha-L-rhamnopyranosides and diketopiperazines (DKPs).Acyl alpha-L-rhamnopyranosides are compounds having a rhamnose group linked to an acyl group. They possess a variety of biological activities of medical interest (anti-tumor, antifungal, antibacterial…). Their production by Streptomyces sp. has been described previously but no study of their biosynthetic pathway is available in literature. Streptomyces sp.TN58 strain was known to produce two molecules of this family. I showed that it produced a third one and I looked for the genes directing their biosynthesis. I have identified the genes involved in the biosynthesis of the rhamnose precursor and shown that their inactivation abolished the biosynthesis of acyl alpha-L-rhamnopyranosides. However, the genes located in the vicinity of the rhamnose biosynthetic genes are not involved in acyl alpha-L-rhamnopyranoside biosynthesis. This organization is unusual because all the genes directing the biosynthesis of a specialized metabolite are not clustered, contrarily to what is usually found in Streptomyces and more generally in microorganisms. A genome-mining approach allowed the identification of candidate genes, but the inactivation of some of these genes did not abolish the biosynthesis of the three acyl alpha-L-rhamnopyranoside molecules. This suggests that several rather promiscuous enzymes might be involved in the biosynthesis of acyl alpha-L-rhamnopyranosides.DKPs are cyclic dipeptide derivatives. This class of natural products possesses a wide variety of biological activities, but their physiological role in the producing organism remains often unknown. DKPs can be synthesized by non-ribosomal peptide synthases (NRPSs) or by cyclodipetide synthases (CDPSs). Contrarily to NRPSs which are enzymatic megacomplexes using amino acids as substrate, CDPSs are small enzymes using amino-acylated tRNAs as a substrate. The synthesized cyclodipeptides can undergo various modifications, which explains the diversity of DKP chemical structures. Mining the genome of Streptomyces sp. TN58 allowed the identification of a cluster of two genes (encoding a CDPS and a cytochrome P450) homologous to genes involved in the biosynthesis of a DKP (mycocyclosin) in Mycobacterium tuberculosis. I managed to identify the DKP synthesized. I constructed mutant strains to test the hypothesis that these DKPs could play a role as signaling molecules for morphological differentiation and antibiotic production in Streptomyces sp.TN58. Preliminary results seem to support this hypothesis

Streptomyceten weisen einen komplexen Lebenszyklus auf, dessen Verlauf durch den sekundären Botenstoff Bis-(3´- 5´)-zyklisches dimeres Guanosinmonophosphat (c-di-GMP) und die c-di-GMP-Effektorproteine BldD und RsiG reguliert wird. Der Auf- bzw. Abbau von c-di-GMP wird von Diguanylatzyklasen (DGC) mit GGDEF-Domänen bzw. Phosphodiesterasen (PDE) mit EAL- oder HD-GYP-Domänen katalysiert. In S. venezuelae, einem Modellorganismus der Streptomyceten, konnten zehn potenziell c-di-GMP metabolisierende Enzyme identifiziert werden, von welchen mit RmdA und RmdB zwei GGDEF-EAL-Tandem-Proteine im Fokus dieser Arbeit stehen. Die chromosomale Deletion der für RmdA und RmdB kodierenden Gene führt zu einer ausgeprägten Verzögerung der Entwicklung in S. venezuelae. Mit Hilfe chromosomaler Mutationen konnten die EAL-Motive der EAL-Domänen als essenziell für die in vivo Funktion beider Proteine identifiziert werden. Beide Proteine zeigen in vitro PDE-Aktivität und RmdA konnte als bifunktionales Enzym charakterisiert werden, da es in vitro auch DGC-Aktivität aufweist. Mittels Nukleotidextraktionen konnte RmdB als Haupt-PDE in S. venezuelae identifiziert werden, welche über den gesamten Entwicklungsverlauf für den Abbau von c-di-GMP verantwortlich ist. Aber auch RmdA hat während des Übergangs von der vegetativen zur reproduktiven Wachstumsphase Einfluss auf die globale zelluläre c-di-GMP Konzentration. Durchgeführte Transkriptomanalysen und qRT-PCR-Experimente ergaben, dass in den Deletionsmutanten die Expression einiger wichtiger entwicklungsspezifischer Gene im Vergleich zum Wildtyp herunterreguliert ist. Dies ist vermutlich auf die erhöhten c-di-GMP Konzentrationen in den Deletionsmutanten zurückzuführen, wodurch die Aktivität der c-di-GMP-Effektorproteine BldD und RsiG beeinflusst wird und die verzögerte Entwicklung der Deletionsmutanten erklärt werden kann. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass RmdB mit dem Sigmafaktor der Sporulation, WhiG, interagieren kann. / Streptomycetes show a complex life cycle. The transition between the different developmental stages is regulated by the secondary messenger bis- (3´- 5´) -cyclic dimeric guanosine monophosphate (c-di-GMP) and the c-di-GMP effector proteins BldD and RsiG. c-di-GMP is synthesized by diguanylate cyclases (DGCs) with GGDEF domains, and its degradation is catalyzed by phosphodiesterases (PDE) with EAL or HD-GYP domains. In S. venezuelae, the Streptomyces strain which was used as a model organism in this work, there are ten potentially c-di-GMP metabolizing enzymes, of which two GGDEF-EAL tandem proteins, RmdA and RmdB, are the focus of this work. The deletion of the genes coding for RmdA and RmdB leads to a pronounced developmental delay in S. venezuelae. With the help of chromosomal mutations, the EAL motif was identified as essential for the in vivo function of RmdA and RmdB. Furthermore, both proteins were characterized in vitro as active PDEs and RmdA as a bifunctional enzyme, which also showed DGC activity. RmdB was identified as the master PDE in S. venezuelae by means of nucleotide extraction and is responsible for the hydrolysis of c-di-GMP over the course of development investigated. Also RmdA has an influence on the global cellular c-di-GMP concentration during the transition from the vegetative to the reproductive growth phase. A transcriptome analysis, qRT-PCR experiments and related follow-up experiments showed that the deletion of rmdA and rmdB leads to a differential expression of genes which code for important development-specific factors and regulators. This is presumably due to the increased c-di-GMP concentrations in the deletion mutants, with the c-di-GMP effector proteins BldD and RsiG delaying the transition to the next growth phase. Furthermore, it could be shown that RmdB can interact with the sigma factor of sporulation, WhiG.

Streptomyces scabiei est l'agent causal de la gale commune de la pomme de terre. Les symptômes causés par cet agent pathogène sont surtout superficiels mais ils engendrent des pertes économiques très importantes pour l'industrie. Les stratégies pour lutter contre cette maladie sont surtout culturales puisqu'il n'existe pas de pesticide ciblé à S. scabiei. Le pouvoir pathogène de cette bactérie repose surtout sur la synthèse d'une phytotoxine, appelée thaxtomine A. Le tryptophane est l'un des deux précurseurs biosynthétiques de la thaxtomine A. Par contre, il a été démontré que l'ajout de tryptophane au milieu de culture de S. scabiei induit une forte diminution de synthèse de la phytotoxine. Ce type de répression de synthèse par les précurseurs semble être un phénomène unique, autant chez les procaryotes que chez les eucaryotes. Les bactéries du genre streptomycètes produisent aussi une foule d'autres composés, certains synthétisés aussi à partir de tryptophane. C'est le cas de l'auxine, une hormone de croissance végétale régulant divers phénomènes de croissance chez les plantes. Chez la majorité des bactéries du sol, la synthèse d'auxine est augmentée en présence de tryptophane, mais cela n'a pas été vérifié pour S. scabiei. L'objectif de notre travail a été d'évaluer l'influence du tryptophane sur l'expression des gènes de synthèse de thaxtomime A, sur la production ainsi que l'expression des gènes de synthèse de l'auxine et ensuite, sur le pouvoir pathogène de S. scabiei. Les résultats obtenus indiquent que le tryptophane réprime l'expression des gènes de synthèse de la thaxtomine A. Parallèlement, une forte augmentation de production d'auxine a été observée avec ajout exogène de tryptophane au milieu de culture, sans qu'il y ait modulation des gènes de synthèse de l'auxine. Le pouvoir pathogène de S. scabiei a été évalué en présence de tryptophane, avec un système in planta utilisant des plantules de radis, un hôte alternatif à S. scabiei. Les résultats obtenus ont permis d'affirmer que S. scabiei, en certaines conditions, pouvait agir comme promoteur de la croissance des végétaux. En effet, en présence de certaines concentrations de tryptophane, les plantes hôtes inoculées par S. scabiei avaient une meilleure croissance que des plantes non inoculées dans les mêmes conditions de tryptophane. Cette étude remet en question la classification de S. scabiei, considéré jusqu' ici comme un agent phytopathogène typique. Évidemment, cela ouvre la voie à des méthodes de luttes alternatives contre la gale commune. L'application de ces conditions aux champs est peu envisageable, à court terme, mais le développement de composés ayant un effet similaire à celui du tryptophane (au niveau de l'inhibition de synthèse de la thaxtomine A et de la promotion de synthèse de l'auxine) est une voie de recherche intéressante. De plus, une compréhension plus poussée du mécanisme d'inhibition de synthèse de la thaxtomine A par le tryptophane serait souhaitable.

Les actinomycètes sont des microorganismes majoritairement retrouvés dans le sol et reconnus comme étant de grands producteurs de métabolites secondaires et enzymes extracellulaires. Parmi ces enzymes extracellulaires, nous retrouvons la chitosanase qui est apte à hydrolyser le chitosane, un bio-polymère formé majoritairement de D-glucosamine. Étant donné les nombreuses applications du chitosane, celui-ci est produit de façon industrielle par désacétylation de la chitine provenant de l'exosquelette de crustacés. La chitosanase est ensuite utilisée pour produire du chitosane de différents poids moléculaires. La majorité des études portant sur les chitosanases concernent leurs propriétés biochimiques et les relations entre leur structure et leur fonction enzymatique. Aucune étude publiée n'a été portée sur leur régulation génique, ce qui apporterait de nouvelles connaissances fondamentales pouvant améliorer entre autres le rendement de production de l'enzyme.Les chitosanases d'actinomycètes les plus étudiées sont celles de Streptomyces sp. N174 (CsnN 174) et de Kitasatospora sp. N106 (CsnN106). La production endogène de ces enzymes en comparaison avec la production en contexte hétérologue chez Streptomyces lividans , a permis d'émettre comme hypothèse que la production de la chitosanase CsnN106 serait régulée au niveau de la transcription. Notre première étude a donc porté sur la régulation génique de cette chitosanase en contexte endogène. Deux interactions régulatrices ont été repérées au niveau de la séquence promotrice de csnN106 .L'interaction impliquée à la séquence palindromique retrouvée en amont de csnN106 a été caractérisée plus en détails.L'emplacement précis de l'interaction et son activité en présence de molécules inductrices ont été déterminés. La caractérisation a été poursuivie par la détermination de l'importance de chaque paire de base du palindrome sur l'activité de liaison protéine-ADN. Par la suite, nous avons dû changer de stratégie d'étude puisque la purification complète des régulateurs de transcription impliqués dans ces interactions s'avérait impossible à partir d'extraits cellulaires de Kitasatospora sp. N106. Nous avons donc réalisé une recherche informatique sur la présence de boîtes palindromiques homologues à celle de csnN10 6 dans les séquences publiées et génomes actinobactériens séquences (Streptomyces coelicolor A3(2) et Streptomyces avermitilis MA-4680). Mis à part la présence de cette boîte palindromique en amont d'autres gènes codant pour des chitosanases, cette séquence a été retrouvée en amont d'un gène codant pour un régulateur de transcription de la famille ROK chez S. coelicolor et S. avermitilis . Nous avons émis l'hypothèse que le régulateur de transcription produit par ces gènes homologues, était responsable de la régulation de la transcription de gènes de chitosanases. Nous avons décidé d'étudier le gène homologue ( csnR ) et son produit protéique chez S. lividans étant donné l'utilisation de ce microorganisme pour la production hétérologue de protéines et son lien de parenté étroit avec S. coelicolor . Notre deuxième étude présente la caractérisation de CsnR par des expérimentations in vitro utilisant la protéine purifiée. De plus, une souche délétée pour le gène csnR a été utilisée pour effectuer d'autres expérimentations in vivo .Les résultats obtenus ont démontré que ce régulateur de transcription est un répresseur agissant au niveau de la boîte palindromique homologue à csnN106 qui est retrouvée chez S. lividans en amont du gène csnA , codant pour une chitosanase, et en amont du gène csnR . Notre troisième étude porte sur le mécanisme de régulation génique de csnN106 en contexte hétérologue chez S. lividans .L'utilisation de la souche délétée pour csnR a permis de démontrer que csnN106 est aussi régulé négativement par CsnR. Cette souche, ayant été transformée avec un vecteur intégratif ayant csnN106 mutée à sa boîte palindromique, a permis d'élaborer un milieu de production de chitosanase sans ajout de molécules inductrices tel que du chitosane ou ses dérivés. Ce nouveau système de production est aussi efficace que le système utilisé soit S. lividans ayant csnN106 sur un vecteur à haut nombre de copies en combinaison avec un milieu de production plus onéreux, contenant du chitosane et de la D-glucosamine.Les trois études présentées forment un premier bloc de nouvelles connaissances sur la régulation génique des chitosanases. Le mécanisme de répression de la transcription par CsnR au niveau de gènes de chitosanases possédant la boîte palindromique au niveau de leur promoteur semble un mécanisme répandu chez les actinomycètes étant donné la présence de cette boîte et de gènes homologues à csnR dans le génome de plusieurs actinomycètes.

This thesis focuses on studies investigating the structure of intermediates involved in fluorometabolite biosynthesis, and the potential applications of the fluorinase enzyme in positron emission tomography (PET). Chapter 1 introduces the rare natural occurrence of fluorinated compounds. The bacterium Streptomyces cattleya is known to biosynthesise two fluorinated secondary metabolites: the toxin fluoroacetate (FAc) and the antibiotic 4-fluorothreonine (4-FT). The enzymes and intermediates identified on this fluorometabolite biosynthetic pathway in S. cattleya, prior to this research, are discussed in detail. Chapter 2 presents studies towards the unambiguous structural identification of (3R,4S)-5- deoxy-5-fluoro-D-ribulose-1-phosphate (5-FRulP) as the third fluorinated intermediate on the biosynthetic pathway to fluoroacetate and 4-fluorothreonine in S. cattleya. Chapter 3 describes the synthetic routes to key molecules, necessary as reference compounds and substrates, to underpin the subsequent studies in this thesis. In particular, synthetic routes to 5'-deoxy-5'-fluoroadenosine (5'-FDA), 5'-deoxy-5'-fluoroinosine (5'-FDI), 5-deoxy-5-fluoro-D-ribose (5-FDR) and 5-deoxy-5-fluoro-D-xylose (5-FDX) are described. Chapter 4 describes the use of the fluorinase enzyme from S. cattleya as a tool for the synthesis of new [¹⁸F]-labelled sugars with potential application in positron emission tomography (PET). A new route to 5-deoxy-5-[¹⁸F]fluoro-D-ribose ([¹⁸F]FDR) is developed in a two-step enzymatic synthesis. A total of three potential radiotracers ([¹⁸F]FDA, [¹⁸F]FDR and [¹⁸F]FDI) are synthesised using fluorinase-coupled enzyme reactions. In addition, in vitro studies are reported with these [¹⁸F]-labelled sugars to investigate their uptake and potential as PET radiotracers in cancer cells. A preliminary rat imaging study with [¹⁸F]FDA is reported. Chapter 5 details the experimental procedures for the compounds synthesised in this research and the biological procedures for chemo-enzymatic syntheses and protein purification.

Since microorganisms normally co-exist with other species in nature, they have developed complex metabolic and physiological responses as a result of such inter-species interactions. Biotic elicitation mimics the inter-species interactions in nature by introducing cell extracts, parts of cell wall, or dead cells into the culture of another species thus resulting in complex metabolic responses in the elicited microorganisms. In this thesis we report the exploitation of the interspecies interaction in order to enhance the antibiotic production by the model organism Streptomyces coelicolor. It produces four known antibiotics: actinorhodin, undecylprodigioisn, methylenomycin and the calcium dependent antibiotic. We investigated the production of actinorhodin and undecylprodigiosin only because of the lack of quantitative analytical methods for the other two. The pure cultures of S. coelicolor in a defined medium produce higher concentrations of actinorhodin compared with undecylprodigiosin. However, undecylprodigiosin is more important due to its antitumor activities. We introduced live and dead cells of E. coli, Bacillus subtilis and Staphylococcus aureus, separately, to the S. coelicolor culture. Investigations were performed on Petri dishes, shake flasks and 2 L bioreactors. The suitable amount of each elicitor bacterium was first determined based on its ability to grow in the S. coelicolor medium so that it did not overtake the growth of S. coelicolor. Growth of S. coelicolor and glucose consumption of the elicited cultures were studied and compared with those in the pure culture. Our results revealed an alteration in the antibiotic production pattern by S. coelicolor, such that undecylprodigiosin production was significantly enhanced and actinorhodin decreased. The maximum enhancement occurred in the culture elicited with the live cells of E. coli with an increase of 3.5-fold, whereas the minimum was with elicitation using S. aureus cells (2.1-fold increase). Also, a considerable suppression in the production of actinorhodin was observed upon elicitation with live cells of E. coli or S. aureus. Furthermore, another positive outcome of the elicitation was the earlier onset of undecylprodigiosin production by 24-35h compared to the pure culture of S. coelicolor. Moreover, this study showed that the dead cells of B. subtilis and S. aureus had the same elicitation effects as the live cells, contrary to the heat-killed cells of E. coli that had no such effect. Some optimisation experiments on the amount and the timing of the elicitation were performed and the optimal conditions were chosen that would increase undecylprodigiosin production. Elicitation in the bioreactor resulted in as much as six-fold increase in the production of undecylprodigiosin compared with the pure culture and approximately double that obtained in the shake flasks. The antimicrobial activities of the extracted actinorhodin and undecylprodigiosin on the elicitor bacteria were tested in agar diffusion tests. Undecylprodigiosin always inhibited the growth of the elicitor bacteria whereas actinorhodin was less effective. In addition, our results indicated that the interaction between S. coelicolor and E. coli was mediated via a molecule present in the E. coli culture, while no such evidence was found in the case of interaction with B. subtilis or S. aureus. The results showed that the elicitation with the cells of B. subtilis and S. aureus was not due to peptidoglycan or N-acetyl glucoseamine which is the constituents of the cell wall that may have been released by lyses during the culture process. Such inter-species interactions may form the basis of new strategies in the search for novel antibiotics and other bioactive compounds. They can also be used to increase the productivity of existing processes for antibiotics as it was found in this work.

The pleiotropic effect of WD-40 domain containing proteins on cellular differentiation and production of secondary metabolites in Streptomyces coelicolor WD-40 domains, also known as beta-transducin repeats, are highly conserved repeating amino acid units, which are found in a wide variety of eukaryotic proteins that have a range of different functions. In the late 1990s, the first WD-40 containing proteins were identified in prokaryotes, however the knowledge about their function is scarce. Streptomyces coelicolor is a gram-positive bacterium with complicated morphological and physiological differentiation in the course of its life cycle. The genome of Streptomyces coelicolor encodes 6 potential genes encoding proteins with WD-repeat motifs. To determine the function of two of these WD-40 genes (wdpB and wdpC), the deletion replacement mutants in both genes were prepared. Both mutants exhibited medium-dependent phenotypes, which are markedly evident on modified R3 plates. Phenotypic studies revealed that deletion of wdpB gene resulted in substantial reduction of aerial hyphae formation and reduced production of undecylprodigiosin. In addition, the hyphae of ΔwdpB mutant were unusually branched and showed the signs of precocious lysis. Delayed spore-containing hyphae were irregularly septated....