Les micro-organismes ont la capacité de s'adapter rapidement aux différentes contraintes environnementales ou métaboliques, mais le mécanisme détaillé et les principes de cette réponse adaptative en micro-organisme sont mal compris aux niveaux génétiques, biochimiques et métaboliques. Ici, une souche de E. coli a évolué avec un titre élevé de 1,3-propanediol a été sélectionné et cette souche a été analysée comme un exemple pour la découverte de ce processus d'évolution adaptative. La technologie de séquençage comparatif du génome entier a été utilisée pour identifier les mutations génétiques dans le chromosome et le plasmide portant les gènes codant pour la voie de production de 1,3-propanediol a également été séquencée. Quatre mutations ont été trouvées dans le chromosome et ils sont Ipd, glpR, dhak, nagD - promoteur. Une mutation a été trouvée dans le gène GGP2, qui est situé dans le plasmide. Toutes les mutations ont été en outre caractérisées par analyse génétique et inverse biochimique et leur influence dans le réseau métabolique sont aussi découverts. Nous avons démontré que tous les cinq mutations individuellement peuvent augmenter le taux de croissance et la production de 1,3 -propanediol. Selon le profil de fermentation de la souche évolué, l’accumulation d'acétate entravé la croissance de la souche et de l'augmentation de 1,3-propanediol titre. Pour optimiser la production de 1,3- propanediol, un nouveau catalyseur a été développé pour la co-production de 1,3-propanediol avec de l'acétone au lieu de l'acétate, parce que l'acétone a une plus grande valeur et est moins toxique que l'acétate. Les deux voies de l'acétate, dépendantes et indépendantes, ont été testées pour la co-production de 1,3-propanediol et l'acétone dans des conditions anaérobies. Pour la voie de l'acétate dépendante, en modifiant le niveau d'expression de l'acétate kinase cette voie était active dans des conditions anaérobies dans E. coli. Pour la voie de l'acétate indépendant, une courte chaîne acyl-CoA thioestérase candidat a été sélectionné et caractérisé, mais son activité doit encore être améliorée en utilisant l'évolution adaptative ou la sélection in vitro. Pour l'évolution adaptative, le réseau métabolique était rationnel conçu pour forcer de flux de carbone à la production d'acétone, ce qui va augmenter la possibilité et l'efficacité de la sélection d'une thioestérase avec une affinité et une activité élevée à l'acétoacétyl -CoA au cours du processus d’évolution adaptative. Pour la sélection in vitro, un système de bio-sensor a été développé afin de simplifier la méthode de sélection d'une thioestérase mutant avec une grande capacité de catalyser l'acétoacétyl -CoA in vitro. / Microorganisms have the ability to adapt rapidly to different environmental or metabolic constraints, but the detailed mechanism and the principles of this adaptive response in microorganism is poorly understood at the genetic, biochemical, and metabolic levels. Here, the glycerol pathway from S. cerevisiae and the B12-independent C. butyricum 1,3-PD pathways were introduced into E. coli and its central metabolic network was restructured to couple the production of 1.3-propanediol to the growth of the microorganism. This strain was grown in conditions favouring adaptive evolution for around 1000 hours. An evolved population was selected under optimal conditions in mineral medium. Comparing with the original strain, it can convert glucose to 1.3-PD at high molar yield (94 %) and its productivity was also significantly increased. Comparative whole genome sequencing technology was used to identify the genetic mutations and five mutating genes lpd, glpR, dhaK, nagD and GPP2 were discovered. All the mutations were further analysed and characterized to disclose their changes after the evolution and to elucidate their influence in the whole metabolic engineering network. To optimize the production of 1.3-PD further, we plan to convert the co-production of acetate to acetone. Indeed, the 1.3 propanediol production was hampered by the acetate inhibition on growth, and acetone is a valuable product which is less toxic thyan acetate. Both the acetate-dependent and independent pathways were tested to produce acetone and some modifications to adapt the global metabolic network were performed. Several strategies were applied to ameliorate the performance of acetone production. Finally, the bottleneck of the acetate-dependent acetone pathway under anaerobic condition was indentify and the acetate-independent acetone pathway still need to be improve with the selection of an evolved or mutant enzyme with high short-chain acyl-CoA thioesterase activity.

L’origine de la variabilité phénotypique est un sujet très débattu depuis les théories de Lamarck et Darwin. Dans la vision contemporaine de l’évolution adaptative, il est communément admis que la seule source héritable de variabilité phénotypique soit d’origine génétique. Le phénotype est alors le produit du génotype sous l’influence de l’environnement. La mutation aléatoire des séquences d’ADN permet de générer de nouveaux variants phénotypiques qui sont alors soumis à la sélection naturelle. Traditionnellement, il est considéré que les caractères acquis par un individu durant sa vie, en réponse à l’environnement, ne sont pas héritables et ne jouent aucun rôle évolutif. Pourtant, il y a presque un siècle, un biologiste allemand du nom de Victor Jollos a mis en évidence que certains phénotypes peuvent être induits par des conditions environnementales particulières et persister durant quelques générations en l’absence du stimulus initial avant de disparaître progressivement. Il nomma ce phénomène Dauermodifikations, littéralement « modifications de longue durée ». Ses conclusions allaient à contre-courant des conceptions évolutives de son temps, et ont été considérées comme des artéfacts expérimentaux. Toutefois, nous sommes maintenant conscient qu’outre le code génétique, il existe également un autre mécanisme permettant une réponse héritable et pourtant flexible en réponse aux fluctuations environnementales : le code épigénétique. Au cours de cette thèse, j’ai essayé de mieux caractériser le rôle des mécanismes épigénétiques, plus précisément ceux impliques dans la structure chromatinienne, chez deux organismes présentant des Dauermodifikations : le corail tropical Pocillopora damicornis et le parasite humain Schistosoma mansoni. Les deux objectifs principaux de cette étude sont de déterminer (I) de quelle manière l’environnement influence la structure chromatinienne (ciblée ou aléatoire) et (II) dans quelle mesure ces changements sont-ils héritables (mitotiquement ou méïotiquement).Nos résultats ont permis de mieux caractériser les épigénomes des deux organismes étudiés. Nous avons décrit la structure chromatinienne de S. mansoni au travers de la distribution de six modifications d’histones, sur deux stades développementaux. Par ailleurs, nous avons montré chez S. mansoni trois types de changements de la structure chromatinienne : (I) ciblés en réponse à l’environnement, (II) associés au génotype et (III) aléatoires. Seuls les types II et III sont héritables d’un stade développemental du parasite à un autre. Nos travaux sur P. damicornis ont permis de remarquer une structure chromatinienne inhabituelle et d’offrir une première description d’un méthylome de corail. / The origin of phenotypic variability has been much debated since the establishment of Lamarck’s and Darwins theories of evolution. It is commonly accepted in the contemporary vision of adaptive evolution that the only source of heritable phenotypic variability is genetic. Here, phenotypes are the product of the genotypes under the influence of the environment. Random DNA mutations generate novel phenotypes, which are then subjected to natural selection. Traditionally, it is considered that acquired characters are not heritable and have no impact on evolution. Yet almost a century ago, a German biologist named Victor Jollos revealed that some phenotypes could be produced in particular environmental conditions and could persist for a few generations in the absence of the original stimulus, before disappearing gradually. He named this phenomenon Dauermodifikations, literally “long term changes”. His conclusions were going against evolutionary conceptions of his time, and were considered experimental artefacts. However, we are now aware that, in addition to the genetic code, there is also another heritable, and yet flexible, mechanism responding to environmental fluctuations: the epigenetic code. In this thesis, I attempted to characterize the role of epigenetic mechanisms, and more specifically modifications of the chromatin structure, in two organisms with Dauermodifikations: the tropical coral Pocillopora damicornis and the human parasite Schistosoma mansoni. The two main objectives of this study were (I) to determine how the environment influences the chromatin structure (in a targeted or random fashion) and (II) to what extent these changes are heritable (through mitosis or meiosis).My results provide a better knowledge of the epigenome of the two organisms we studied. We have described the chromatin structure of S. mansoni through the distribution of six histones modifications, in two developmental stages. Furthermore, we have shown three types of changes in chromatin structure of S. mansoni: (I) targeted in response to environmental changes, (II) genotype associated, and (III) random. Only types II and III are inherited to the next developmental stages of the parasite. Our work on P. damicornis delivers evidence for an unusual chromatin structure in this organism and to provide the first description of a coral methylome

L’infection pulmonaire chronique à Pseudomonas aeruginosa (P. a.) est considérée comme la principalecause de morbidité et de mortalité liée à la mucoviscidose. Au cours de cette infection persistante, labactérie s'adapte à l’environnement pulmonaire caractéristique de ces patients et évolue avec son hôtependant des décennies. Cette évolution adaptative est portée par les phénotypes, avec notamment unediminution de la virulence et une augmentation de la résistance aux antibiotiques au cours du temps. Bienque plusieurs études aient tenté d’évaluer les mécanismes génétiques de cette évolution, il demeureaujourd’hui difficile d’expliquer les relations entre les mutations accumulées dans le génome bactérien etl’expression de phénotypes cliniquement pertinents, ou encore de corréler ces mutations avec l’état desanté du patient.Nous proposons dans ce travail d’étudier les mécanismes sous-tendant cette évolution adaptative à unniveau d’observation post-génomique : la métabolomique. Dernière-née des disciplines –omiques, lamétabolomique permet la prise de vue instantanée du métabolisme, et offre une vision au plus proche duphénotype. Pour cela, nous avons constitué une banque de lignées clonales évolutives de P. a. prélevéesau cours de l’infection pulmonaire chronique chez des patients atteints de mucoviscidose. Cette banque aensuite été caractérisée aux plans clinique, phénotypique et métabolomique. L’intégration de ces différentsniveaux d’information par des méthodes statistiques multi-tableaux nous a permis de mettre en évidencedes voies métaboliques impliquées dans la patho-adaptation de P. a. à son hôte.Nos résultats permettent de faire émerger de nouvelles hypothèses pour le développement d’outilsthérapeutiques et diagnostiques visant à améliorer la prise en charge de ces infections particulièrementrésistantes aux antibiotiques. De plus, nos travaux démontrent l’intérêt de la métabolomique pour l’étudede l’évolution adaptative bactérienne en conditions naturelles. / Chronic lung infection with Pseudomonas aeruginosa (P. a.) is considered as the leading cause of cysticfibrosis (CF) morbidity and mortality. During this persistent infection, the bacterium adapts to the typical lungenvironment of these patients and evolves within its host for decades. This adaptive evolution is driven byphenotypes, including a decrease in virulence and an increase in antibiotic resistance over time. Althoughseveral studies have attempted to elucidate the genetic mechanisms of this evolution, it remains difficulttoday to explain the relationships between the accumulated genomic mutations and the expression ofclinically relevant phenotypes, or to correlate these mutations with the patient’s health status.In this work, we propose to study the mechanisms underlying this adaptive evolution at a post-genomicobservation level: metabolomics. Metabolomics, the newest of the -omics disciplines, provides an instantview of the metabolic activities, and furnishes a vision as close as possible to the phenotype. To this end,we constructed a bank of evolutive clonal P. a. lineages sampled during chronic lung infection in patientswith CF. This bank was then clinically, phenotypically and metabolomically characterized. Integration ofthese different levels of information by multi-block statistical methods has allowed us to highlight metabolicpathways involved in within-host patho-adaptation of P. a. .Our results rise new hypotheses for the development of therapeutic and diagnostic tools with the aim ofimproving the management of these infections particularly resistant to antibiotics. In addition, our workdemonstrates the interest of metabolomics to study bacterial adaptive evolution under natural conditions.

Ziel dieser Arbeit war die Erhöhung der Temperaturtoleranz des Cyanobakteriums Synechocystis sp. PCC 6803 mittels ungerichteter Mutagenese und adaptiver Evolution. Trotz des erneuten Interesses an Cyanobakterien und Mikroalgen in den letzten Jahren, gibt es nur relativ wenige aktuelle Studien zum Einsatz dieser Methoden an Cyanobakterien. Zur Analyse eines mittels Mutagenese erzeugten Gemischs an Stämmen, ist es von großem Vorteil Hochdurchsatz-Methoden zur Kultivierung und zum Screening einsetzen zu können. Auf Basis eines Pipettierroboters wurde solch eine Plattform für phototrophe Mikroorganismen neu entwickelt und folgend stetig verbessert. Die Kultivierung erfolgt in 2,2ml Deepwell-Mikrotiterplatten innerhalb einer speziell angefertigten Kultivierungskammer. Schüttelbedingungen, Beleuchtung, Temperatur und CO2-Atmosphäre sind hierbei vollständig einstellbar.Die Plattform erlaubt semi-kontinuierliche Kultivierungen mit automatisierten Verdünnungen von hunderten Kulturen gleichzeitig. Automatisierte Messungen des Wachstums, des Absorptionsspektrums, der Chlorophyllkonzentration, MALDI-TOF-MS sowie eines neu entwickelten Vitalitätsassays wurden etabliert. Für die Mutagenese wurden die Letalität- und die nicht-letale Punktmutationsrate von ultravioletter Strahlung und Methylmethansulfonat für Synechocystis charakterisiert. Synechocystis wurde mit den so ermittelten optimalen Dosen mehrfach behandelt und anschließend einer in vivo Selektion unterzogen. Somit wurde dessen Temperaturtoleranz um bis zu 3°C erhöht. Über die Screeningplattform wurden die thermotolerantesten monoklonalen Stämme identifiziert. Nach einer Validierung wurde das vollständige Genom der Stämme sequenziert. Hierdurch wurden erstmals Mutationen in verschiedenen Genen mit der Langzeittemperaturtoleranz von Synechocystis in Verbindung gebracht. Bei einigen dieser Gene ist es sehr unwahrscheinlich, dass sie mittels anderer Verfahren hätten identifiziert werden können. / The goal of this work was the increase of the thermal tolerance of the cyanobacteria Synechocystis sp. PCC 6803 via random mutagenesis and adaptive evolution. Even with the renewed interest in cyanobacteria in the recent years, there is relatively limited current research available on the application of these methods on cyanobacteria. To analyse a mixture of various strains typically obtained through random mutagenesis, a method allowing high-throughput miniaturized cultivation and screening is of great advantage. Based on a pipetting robot a novel high-throughput screening system suitable for phototrophic microorganisms was developed and then constantly improved. The cultivation was performed in 2,2 ml deepwell microtiter plates within a cultivation chamber outfitted with programmable shaking conditions, variable illumination, variable temperature, and an adjustable CO2 atmosphere. The platform allows semi-continuous cultivation of hundreds of cultures in parallel. Automated measurements of growth, full absorption spectrum, chlorophyll concentration, MALDI-TOF-MS, as well as a novel vitality measurement protocol, have been established. Prior to the mutagenesis, the lethality and rate of non-lethal point mutations of ultraviolet radiation and methyl-methanesulphonate were characterized for Synechocystis. The thus determined optimal dosages were applied to Synechocystis followed by in vivo selection in four rounds of mutagenesis, thereby raising its temperature tolerance by 3°C. The screening platform was used to identify the most thermotolerant monoclonal strains. After validation, their whole genomes were sequenced. Thus mutations in various genes were identified which promote the strains'' thermal tolerance. For some of the genes it is very unlikely that their link to high thermal tolerance could have been identified by other approaches.

Adaptive evolution of Toll-like receptors in birds Hana Velová, PhD thesis 6 Abstract Toll-like receptors (TLRs) are one of the key and presumably also evolutionary most original components of animal immune system. As Pattern recognition receptors they form the first line of innate immune defence against various pathogens. The proper receptor binding of pathogenic ligands is crucial for their correct recognition and for subsequent triggering of an appropriate immune response. Because there exists a direct interaction between the receptor surface and the pathogenic ligand, host-pathogen coevolution on molecular level can be predicted. Thus, through variability of their ligands, TLRs are exposed to extensive selective pressures that may be detected on both genetic and protein levels. Surprisingly, the variability we revealed in birds is even higher than previously expected based on the reports from other vertebrates, mainly mammals. In my doctoral thesis I summarise the results of my contribution to the avian TLR research. We were the first who experimentally verify the absence of functional TLR5 in several avian species and duplication of TLR7 in others. We finally resolved the origin of duplication in TLR1 and in TLR2 family. An important part of my research project focused on the prediction of potentially...