Les champignons sont des microorganismes essentiellement connus en écosystèmes aériens, s'étant diversifiés en milieu continental. A partir d'analyses d'horloges moléculaires, nous avons émis l'hypothèse d'une diversification des champignons dans les océans. Par ailleurs, de nombreux auteurs considèrent les écosystèmes hydrothermaux marins profonds comme le Berceau de la Vie : nous avons donc choisi d'étudier ces milieux, très peu exploités en terme de diversité fongique, dans l'espoir de retrouver des champignons ayant conservé des caractères ancestraux de ce Règne. Des analyses de diversité (établies après la création d'une base de données moléculaires dédiée), par PCR indépendantes de la culture (amplification du gène codant l'ARNr18S), ont révélé des organismes se branchant à la base de la phylogénie des champignons (phylum Chytridiomycota), en accord avec notre hypothèse de travail, couplée à une forte diversité spécifique fongique (phyla Chytridiomycota, Basidiomycota, et Ascomycota). Des souches isolées de ces écosystèmes en laboratoire ont également permis de détecter de nombreuses nouvelles espèces de champignons (phylum Ascomycota). Ces 2 approches combinées nous ont ainsi permis de révéler une diversité insoupçonnée dans ces milieux. Des hypothèses évolutives sur la diversification des champignons en milieu marin ont ainsi pu être proposées. Le second objectif de notre travail était de connaître les rôles de ces organismes au sein de ces écosystèmes. Pour cela, nous avons choisi une approche métagénomique originale : l'échantillon choisi sur la base de la fréquence du gène codant l'ARNr18S et des études de diversité, a été pyroséquencé (GS FLX ; 454 Life Sciences, ROCHE). L'échantillon testé contenait un seul phylotype fongique, constituant une branche profonde des champignons (phylum Chytridiomycota). Six ng d'ADN extraits ont été pyroséquencés en 3 runs indépendants : 168.909 contigs (longueur moyenne : 352 pb) ont été assemblés à partir de 1.441.839 séquences individuelles. Deux approches ont alors été choisies. La première consistait à analyser les contigs générés, afin d'extraire les fragments de gènes fongiques et de reconstruire leur métabolisme hypothétique. Des hypothèses de fonctionnement métabolique des champignons dans ces milieux, établies sur la base de recherche d'homologies dans les bases de données (BLASTX, ORF finder, KOG,...) ont pu être établies. La seconde approche, basée cette fois sur l'étude des séquences non assemblées, consistait à reconstruire les voies métaboliques du métagénome (BLASTX, mgRAST, ASGARD), et reconstituer la composition taxonomique de notre échantillon (MEGAN). Les résultats de l'analyse métagénomique présentés dans cette thèse, nous ont permis d'émettre des hypothèses sur les modes de vie des champignons en écosystème hydrothermal et nous ont également permis de reconstruire avec succès les métabolismes bactériens dominants dans l'écosystème. Les limites de cette analyse, ainsi que les nombreuses perspectives qu'offrent ce travail sont également développées.

L'identification, chez divers organismes, d'enzymes de dégradation des N-acyl homosérineslactones (NAHLs) impliquées dans la signalisation QS pose la question de leurs rôles dans lesinteractions bactéries-eucaryotes. Dans une première partie, une synthèse bibliographique analyse lesconnaissances acquises sur ces enzymes dégradant les NAHLs. Dans une seconde partie, la croissancedes bactéries dégradant les signaux NAHLs a été stimulée par l'application de g-caprolactone (GCL)dans la rhizosphère de plants de pommes de terre à des fins de phytoprotection. L'effet de cetraitement sur la diversité des communautés bactériennes rhizosphériques a été évalué en combinantdifférentes approches d'écologie microbienne moléculaire comme la DGGE, le pyroséquençaged'amplicons rrs, et la métagénomique fonctionnelle. Cette dernière approche appliquée à une banquede 30 000 clones environ a conduit à l'identification d'un gène qsdB codant la dégradation des signauxNAHL. Ce travail révèle ainsi l'existence d'une nouvelle classe d'enzymes de dégradation des NAHLsappartenant à la famille des enzymes possédant une signature amidase (AS) dont des membres sontpar ailleurs impliqués dans la dégradation de composés xénobiotiques. Dans une troisième partie, unsystème expérimental a été développé afin de mesurer le transfert conjugatif du plasmide de virulenceTi (tumor inducing) chez des dérivés du pathogène Agrobacterium tumefaciens, appelés "tricheurs",incapables de produire des signaux NAHLs mais utilisateurs de ceux produits par les autres bactéries.Ce modèle a permis de montrer l'effet modérateur de lactonases dégradant les NAHLs exprimées chezdes agrobactéries produisant les NAHLs, chez des bactéries réceptrices du plasmide Ti, ou des planteshôtes des agrobactéries sur le transfert conjugatif initié par les tricheurs. L'ensemble de ce travailrévèle à la fois une nouvelle famille d'enzymes impliquées dans la dégradation des NAHLs, ainsiqu'un nouveau rôle de ces enzymes dans la modulation des flux de gènes entre bactériesphytopathogènes en interaction avec une plante hôte.

Les céréales sont des aliments de base dans la plupart des pays africains. De nombreux aliments céréaliers africains sont fermentés naturellement. Comme la qualité nutritionnelle des aliments céréaliers pourrait être améliorée grâce aux fermentations spontanées, ces aliments pourraient être de bonnes sources de micronutriments. Cependant, différentes carences en micronutriments, comme les carences en folates par exemple, sont toujours fréquentes dans de nombreux pays africains où ces aliments sont consommés. Les carences en folates peuvent mener à différentes pathologies, comme des anémies mégaloblastiques et des malformations du tube neural par exemple. L’objectif de ce travail était d’évaluer le potentiel nutritionnel du microbiote du ben-saalga, un aliment fermenté traditionnel à base de mil consommé au Burkina Faso. Des gènes codant des enzymes impliquées dans différentes activités nutritionnelles ont été recherchés dans 50 métagénomes extraits d’échantillons collectés à Ouagadougou. Certains gènes n’ont jamais été détectés dans les métagénomes (e.g. les gènes impliqués dans la synthèse de caroténoides), alors que d’autres ont été fréquemment détectés (e.g. les gènes impliqués dans la synthèse de folates). En dépit du haut niveau de détection (80%) des deux gènes folP et folK, codant des enzymes impliquées dans la synthèse de folates, la teneur en folates du ben-saalga était plutôt faible (médiane : 0,5 µg/100g de base humide). Pour mieux comprendre l’impact de la fermentation sur la teneur en folates du ben-saalga, l’évolution de la teneur en folates a été mesurée durant la fermentation de bouillies produites en laboratoire. La fermentation n’a pas eu d’impact significatif sur la teneur en folates, ce qui pourrait être dû à une balance entre les micro-organismes auxotrophes et les micro-organismes prototrophes pour les folates. Dans le but de produire des bouillies fermentées à base de mil avec des teneurs en folates plus élevées, des cultures starters de micro-organismes producteurs de folates ont été utilisés pour inoculer des bouillies au laboratoire. Nous avons obtenu une bouillie avec une teneur en folates de 10 µg/100g de base humide, ce qui est significativement plus élevé que la teneur en folates du ben-saalga produit au Burkina Faso, mais qui reste trop faible sachant que le ben-saalga est fréquemment utilisé comme un aliment de complément à l’allaitement maternel pour les enfants de moins de cinq ans. / Cereals are staple foods in most African countries. Numerous African cereal-based foods are spontaneously fermented. As the nutritional quality of cereal products could be enhanced through spontaneous fermentation, these food products might be good sources of micronutrients. However, various micronutrients deficiencies, such as folate deficiency, are still common in many African countries where these food products are consumed. Folate deficiency leads to different pathologies, such as megaloblastic anemia and neural tube defects. The objective of this work was to evaluate the nutritional potential of the microbiota of ben-saalga, a traditional pearl-millet-based fermented food from Burkina Faso. Genes encoding enzymes involved in different nutritional activities were screened in 50 metagenomes extracted from samples collected in Ouagadougou. Certain genes were never detected in the metagenomes (e.g. genes involved in carotenoid synthesis) while other were frequently detected (e.g. genes involved in folate synthesis). In spite of the high rate of detection (80%) of both genes folP and folK, encoding enzymes involved in folate synthesis, the folate content in ben-saalga was rather low (median: 0.5 µg/100g fresh weight basis). To better understand the impact of the fermentation on the folate content of ben-saalga, the evolution of the folate content was measured during the fermentation of porridges produced in laboratory. The fermentation had no significant impact on the folate content, which may be due to a balance between folate auxotrophy and prototrophy. In order to produce pearl-millet based fermented porridges with higher folate content, starter cultures of folate-producing microorganisms were used to inoculate porridges in laboratory. We obtained a porridge with 10 µg of folate/100 g of fresh weight basis, which is significantly higher than the folate content of ben-saalga produced in Burkina Faso, but still too low knowing that ben-saalga is frequently used as a complementary food for children under five in Burkina Faso.

Le microbiote du rumen bovin est un écosystème très diversifié et efficace pour la dégradation de substrats complexes, notamment issus de la biomasse végétale. Composé majoritairement de microorganismes non cultivés, il constitue un réservoir très riche de nouvelles enzymes d’intérêt potentiel pour les biotechnologies industrielles, en particulier les bioraffineries et la bioremédiation. Dans le cadre de cette thèse, nous avons mis en œuvre une approche de criblage fonctionnel du métagenome ruminal pour accélérer la découverte d’enzymes de dégradation des lignocelluloses, mais aussi de divers polluants synthétiques. En particulier, de nouvelles estérases capables de dégrader un insecticide de la famille des carbamates, le fenobucarb, ainsi qu’un polyuréthane commercial, l’Impranil DLN, ont pu être identifiées. De plus, le développement d’une nouvelle stratégie de criblage d’oxydoréductases nous a permis d’isoler trois enzymes bactériennes originales, très polyspécifiques, ne requérant ni cuivre ni manganèse pour dégrader différents substrats polycycliques tels que des polluants majeurs de l’industrie textile, mais aussi des dérivés de lignine. Enfin, le criblage de deux banques issues d’enrichissements in vivo et in vitro du microbiome du rumen sur paille de blé a permis d’isoler des cocktails d’enzymes lignocellulolytiques au profil fonctionnel et d’origine taxonomique différents, constitués de glycoside-hydrolases, estérases et oxydoréductases. Quinze nouveaux modules CAZy, correspondant à des familles enzymatiques jamais caractérisées, ont été identifiés. L’ensemble de ces résultats met en lumière l’immense potentiel d’innovation biotechnologique contenu dans les écosystèmes microbiens, en particulier dans le microbiote du rumen bovin / Bovine rumen microbiota is a highly diverse and efficient ecosystem for the degradation of complex substrates, especially those issued from plant biomass. Predominantly composed of uncultivated microorganisms, it constitutes a rich reservoir of new enzymes of potential interest for industrial biotechnologies, especially biorefineries and bioremediation. As part of this thesis, we used the functional screening of the ruminal metagenome to increase the discovery of enzymes able to degrade lignocelluloses, as well as different synthetic pollutants. In particular, new esterases able to degrade a carbamate insecticide, fenoucarb, and a commercial polyurethane, Impranil DLN, have been identified. Moreover, the development of a new screening strategy for oxidoreductases allowed the isolation of three original bacterial enzymes that are very polyspecific, and do not need copper nor manganese to degrade different polycyclic substrates, like major pollutants of the textile industry, as well as lignin derivatives. Finally, the screening of two libraries from in vivo and in vitro enrichments of the ruminal microbiome on wheat straw allowed the isolation of lignocellulolytic enzymatic cocktails, with different functional profiles and taxonomical origins, comprising glycoside-hydrolases, esterases and oxidoreductases. Fifteen novel CAZy modules, related to enzymatic families never characterized, were identified. All these results highlight the vast potential of microbial ecosystems, in particular the bovine rumen microbiota, for biotechnological innovation

L'environnement marin est constitué d'écosystèmes nombreux et variés, qui sont habités par des organismes appartenant aux trois domaines du vivant dont celui des bactéries. La coopération bactérienne est basée sur un mécanisme moléculaire appelé quorum sensing (QS). Ce système est dépendant de la densité cellulaire de la communauté, ce qui permet aux bactéries de synchroniser leur expression génétique, pour coordonner certaines de leurs activités physiologiques. Les bactéries produisent plusieurs types de molécules signal dont les acyl-homosérines lactones (AHLs ou AI-1) et le furanosyl diester borate (AI-2). La majorité des recherches dans le domaine du QS s'est portée sur des modèles bactériens d'intérêt biomédical ou agronomique. Cependant, l'importance du QS chez les bactéries marines reste mal connu. Ce travail de thèse a pour question: Quelle est la prévalence des AI chez les bactéries marines ? Pour aborder cette problématique : trois axes : Le criblage de la collection de bactéries marines MOLA, qui est basé sur des techniques de chimie des substances naturelles, et a permis de mettre en exergue des souches bactériennes originales comme Maribius sp MOLA 401, qui produisent un très grand nombre d'AHLs avec de nouvelles structures. Le second axe s'appuie sur des méthodes de bio-informatique pour réaliser le criblage du métagénome marin du Global Ocean Sampling pour la recherche de gènes luxI, ainS, hdtS et luxS. L'ensemble de ces données sur la diversité, l'abondance et la répartition biogéographique des AI-1 dans l'écosystème marin suggère une forte importance des mécanismes du QS à l'¿uvre dans les communautés bactériennes marines naturelles. / The marine environment is composed of many and varied ecosystems, which are inhabited by organisms belonging to the three domains of life including the bacteria. Bacterial cooperation is based on a molecular mechanism called quorum sensing (QS). This system is dependent on the cell density of the community, which allows bacteria to synchronize their gene expression, to coordinate some of their physiological activities. Bacteria produce several types of signal molecules with acyl-homoserines lactones (AHLs or AI-1) and the furanosyl borate diester (AI-2). The majority of research in the field of QS has focused on bacterial models for biomedical and agricultural interest. However, the importance of QS in marine bacteria remains unclear. This work has the question: What is the prevalence of AI in marine bacteria? To address this problem two axes: Screening the collection of marine bacteria MOLA, which is based on chemistry techniques of natural substances, and allowed to highlight original bacterial strains as Maribius sp MOLA 401, which produce very large number of AHLs with new structures. The second axis is based on the methods of bioinformatics to perform screening of metagenome marine Global Ocean Sampling for research luxI, ainS, luxS and hdtS genes,. All these data on diversity, abundance and biogeographical distribution of AI-1 in the marine ecosystem suggests a strong importance of QS mechanisms at work in the natural marine bacterial communities.

Depuis plusieurs années, il s’avère de plus en plus clair que le microbiote digestif a un impact remarquable sur la santé humaine. Il est affecté par de nombreux facteurs dont l’alimentation. En effet, en fonction du macronutriment majoritaire d’un régime alimentaire, certaines populations et fonctions bactériennes sont stimulées ou inhibées. Plusieurs pathologies de l’intestin ou liées à des troubles nutritionnels ou métaboliques ont un lien causal avec une altération du microbiote digestif parmi lesquelles la malnutrition sévère aigue. En effet, il a été récemment montré que le microbiote digestif des enfants malnutris était différent et colonisé par des Proteobacteria, des Enterococci, des bacilles Gram-négatifs et des espèces pathogènes. Au cours de nos travaux, une dysbiose est également observée chez nos patients malnutris par métagénomique et par culturomics avec un enrichissement en bactéries aérobies, en Proteobacteria et en espèces potentiellement pathogènes telles que Streptococcus gallolyticus et une perte notable en bactéries anaérobies associée à une perte de la capacité antioxydante du tractus gastro-intestinal révélée par une absence totale de Methanobrevibacter smitii, archeae méthanogène et un des procaryotes les plus sensibles à l’oxygène du tractus gastro-intestinal ainsi que un potentiel redox fécal accru. De plus, une perte de la diversité globale, connue et inconnue, est observée. Enfin, par culturomics et métagénomique, nous avons établi un répertoire des bactéries manquantes chez les malnutris dont treize présentent un potentiel probiotique et pourront être testées comme probiotiques dans un modèle expérimental dans un futur proche. / For the last decade, it has become increasingly clear that the gut microbiota has a tremendous impact on human health. It is affected by several factors among which diet that has a big impact. In fact, according to the major macronutrient in a diet type, specific bacterial populations and functions are stimulated or inhibited. Several pathologies of the gut or linked to nutritional or metabolic disorders among which severe acute malnutrition are causally linked to an alteration of the diversity of the human gut microbiota. In fact, it has recently been shown by several studies that the gut microbiota of malnourished patients was different and colonized by Proteobacteria, Enterococci, Gram-negative bacilli and pathogenic species. The analysis of our data regarding the fecal microbiota of children afflicted with severe acute malnutrition from Niger and Senegal showed a dysbiosis observed through metagenomics and culturomics with an increase of aerobic bacteria, Proteobacteria and pathogenic species such as Streptococcus gallolyticus, and a depletion of anaerobic species associated with a loss of the antioxidant capacity of the gastro-intestinal tract exhibited by a total absence of Methanobrevibacter smithii, a methanogenic archaeon and one the most oxygen sensitive prokaryote of the gut microbiota alongside an increased fecal redox potential. Moreover, a loss of the overall diversity, known and unknown, was observed. Finally, through culturomics and metagenomics, we were able to identify a repertoire of missing microbes in malnourished children among which thirteen presented a probiotic potential and will be tested as such in an experimental model in the near future.

La paroi végétale est une structure complexe composée principalement de polysaccharides (cellulose, hémicellulose et pectine), de lignine et de protéines. Elle est impliquée dans de nombreuses fonctions essentielles à la vie de la cellule végétale. De plus, les constituants de cette paroi, que sont les polysaccharides et la lignine, représentent la plus grande source de carbone renouvelable de la planète. Ceci en fait des cibles de choix notamment pour la production d'énergies « vertes ». Toutefois, l'utilisation des polysaccharides tels que les hémicelluloses constituant la paroi végétale reste, à l'heure actuelle, limitée du fait de la difficulté à les dégrader. Ces dernières années, un effort important a été mis en œuvre pour identifier et caractériser de nouvelles enzymes, telles que les glycosides hydrolases, permettant de dégrader efficacement la biomasse végétale. Dans le but de découvrir de nouvelles enzymes impliquées dans la dégradation de la biomasse végétale, des chercheurs de l'équipe « Catalyse et Ingénierie Moléculaire Enzymatiques » du LISBP ont décidé d'explorer le métagénome d'organismes connus pour dégrader la biomasse végétale. Deux espèces animales ont fait l'objet d'analyses : tout d'abord les termites qui sont considérés comme les champions de la dégradation de la biomasse végétales et souvent comparés à des bioréacteurs, et le ver de terre. Des banques métagénomiques de trois espèces différentes de termites ainsi qu'une banque métagénomique de ver de terre ont ainsi été créées. Dans ces travaux de thèse deux des banques métagénomiques de termites, celle de Nasutitermes corniger et celle de Termes hispaniolae, ont fait l'objet d'une étude afin de comparer le potentiel hémicellulolytique de ces deux espèces. Après sélection de nombreux clones positifs sur substrats chromogéniques de chacune des deux banques, séquençage puis annotation taxonomique et fonctionnelle, un grand nombre d'enzymes et principalement des glycosides hydrolases, a pu être identifié. Les résultats montrent que le métagénome de Nasutitermes corniger présente majoritairement des enzymes à activité endoglycosidase alors que le métagenome de Termes hispaniolae possède plutôt des enzymes à activité exoglycosidase. Toutes les activités trouvées dans chacune des espèces de termite sont en bonne corrélation avec l'alimentation du termite. De plus, nous avons observé que le microbiote intestinal des deux termites ne possèdent pas les mêmes embranchements bactériens majoritaires et nous avons pu voir que le microbiote de Termes hispaniolae est plus diversifié ce qui corrèle aussi avec l'alimentation des deux termites. D'autre part, dans la banque métagénomique du ver de terre, l'annotation fonctionnelle a révélé une enzyme intéressante. Il s'agit d'une enzyme annotée par B. Henrissat (responsable de la base de données CAZy) comme étant une glycoside hydrolase putative mais n'appartenant à aucune des 135 familles de glycosides hydrolases existantes. Cette enzyme putative, appelée GH* présente des similitudes avec les GH de la famille 5 sans pour autant appartenir à cette famille du fait notamment de l'absence du résidu catalytique nucléophile conservé. Une étude structurale et fonctionnelle de GH* a donc été menée. Les expériences ont permis de prouver que GH* est une endo-xylanase ayant une préférence pour les arabinoxylanes et les xylooligosaccharides de degré de polymérisation d'au moins 5 ou 6. La structure tridimensionnelle de GH* à 1,6Å de résolution a été obtenue par cristallographie des rayons X par remplacement moléculaire à l'aide d'une GH5. Cette structure a permis de confirmer l'identité du résidu acide/base identifié par alignement de séquences et d'émettre une hypothèse sur l'identité du résidu nucléophile. Enfin des mutants de GH* pour ces deux résidus ont été obtenus et ont confirmé leur implication dans l'activité de l'enzyme. / Plant cell wall is a complex structure surrounding plant cells mainly composed by polysaccharides (cellulose, hemicellulose and pectin), lignin and proteins. The plant wall maintains and imposes the size and shape of cells. It is also important for exchanges between cells and extra cellular medium. The polysaccharides of this cell wall are the largest renewable carbon source on the earth, which makes them good targets to produce green energies. Because plant cell wall is difficult to degrade, its use for biofuels for is still limited. However, some organisms are able to efficiently degrade this biomass. Exploring the diversity of the living word to discover new effective biocatalysts has grown considerably last years, because of the emergence of metagenomics. In this context and to discover new enzymes involved in the degradation of plant biomass, the team « Catalyse et Ingénierie Moléculaire Enzymatiques » of LISBP decided to explore metagenome of organisms known to degrade plant biomass. Two animal families were chosen for metagenomics analysis, the termite and earthworm. Metagenomics banks of three different species of termite and one metagenomics bank of an earthworm were created. In this thesis project, two of the three metagenomics banks of termites, the one from Nasutitermes corniger and the other one from Termes hispaniolae, were studied to compare the hemicellulolytic potential of these two species. After selection of many positive clones on chromogenic substrates of both banks, sequencing, taxonomic and functional annotations, a large number of enzymes and mainly glycoside hydrolases, could be identified. The results obtained shown that the trends observed during functional screens were maintained. Indeed, it appears that Nasutitermes corniger has a majority of endoglycosidases while Termes hispaniolae has mainly exoglycosidases. Thereby, families of enzymes highlighted allowed correlating their hydrolytic activities with the diet of these species. Furthermore, we observed that the intestinal microbiota of each termite is different. Indeed, both termites do not have the same majority bacterial phyla and the microbiota of Termes hispaniolae is more diverse than the one of Nasutitermes corniger. On the other hand, functional annotation of the metagenomics bank of the earthworm revealed an enzyme annotated as a glycoside hydrolase no belonging to any of the 135 glycoside hydrolase existing families. This enzyme, named GH*, seems to be close to GH5 but does not shown the nucleophilic catalyst residue perfectly conserved in this glycoside hydrolase family. A functional and structural study of GH* was then done. We have shown that GH* is an endo-xylanase which prefers arabinoxylans and xylooligosaccharides having a polymerization degree greater than 5. In addition, we determined the crystal structure of GH* at 1.6Å resolution. This 3D structure has confirmed the presence of the acid/base residue identified by sequence alignment and allowed us to hypothesize about the identity of the nucleophilic residue. Finally, mutants of GH* for these two residues were obtained and confirmed their involvement in the activity of the enzyme. We were able to progress in the understanding of structure/function relationships of this protein.

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).

La santé digestive du lapin est difficile à maîtriser en élevage, notamment en période de sevrage où des troubles digestifs sont fréquents et peuvent entraîner des pertes importantes. Bien que l’utilisation d’antibiotiques diminue, afin d’éviter l’apparition de problèmes de résistance, des solutions alternatives doivent être trouvées. Nos principaux objectifs étaient : i) d’étudier l’influence de l’incorporation de fibres rapidement fermtentescibles (FRF) dans un aliment distribué précocement dès 15 jours d’âge, en comparaison d’un aliment avec antibiotiques (tiamuline et apramycine) utilisés pour lutter contre l’entéropathie épizootique du lapin ; ii) de déployer des méthodologies en génomique ciblant l’espèce lapin (amélioration et réannotation d’un microarray) et son microbiote digestif (pipeline d’analyse du gène de l’ARNr 16S), pour du phénotypage moléculaire. L’originalité de notre travail réside ainsi dans l’acquisition de données par trois approches complémentaires : phénotypique, transcriptomique, et métagénomique. Au niveau phénotypique, la stimulation de l’activité fermentaire par les FRF est vérifiée avec une hausse de la concentration caecale en AGV (+20%) et une plus forte acidité du biotope caecal. De plus, les FRF tendent à réduire la mortalité en post-sevrage et améliorent l’efficacité alimentaire. Au niveau transcriptomique, nous avons tout d’abord apporté de nouvelles connaissances sur l’immunité du lapin adulte avec la stimulation in vitro de cellules mononuclées du sang périphérique par du LPS et de la PMA-ionomycine. Cette étude confirme l’importance du lapin comme animal modèle pour la recherche biomédicale. Chez le jeune lapin, la nouvelle version du microarray nous a permis de montrer que les fonctions biologiques sont plus rapidement mises en place avec les FRF qu’avec un aliment standard, et que les antibiotiques nivellent l’expression génique. De plus, les FRF contribueraient à limiter l’inflammation intestinale. Au niveau métagénomique et en ciblant l’ARNr 16S, nous montrons qu’une augmentation de l’activité microbienne caecale n’est pas associée à une modification majeure de la composition du microbiote, à l’exception de la stabilisation de l’abondance des Campylobacteraceae, qui limiterait l’inflammation digestive. Nos travaux, encore préliminaires, n’ont pas permis d’identifier des corrélations significatives entre l’expression génique dans le sang et/ou l’iléon, et les profils taxonomiques (OTUs) majoritaires du microbiote digestif. L’ensemble de nos résultats suggère d’une part que les FRF peuvent être proposées comme une nouvelle stratégie nutritionnelle péri-sevrage, avec une amélioration de l’efficacité alimentaire et une protection accrue de la santé digestive, et d’autre part que des approches génomiques sont prometteuses pour qualifier finement les phénotypes d’intérêt chez le lapin. / Digestive health of rabbits is difficult to manage in breeding systems, especially around weaning where digestive problems are very common and can result in significant losses. The use of antibiotics decreases in order to avoid the emergence of problems with antibiotic resistance, but alternatives must be found. The objectives of this work were: i) to study effects of the incorporation of rapidly fermentable fiber (FRF) in diets fed to rabbits from 15 days of age, and compared to a feed with antibiotics (tiamulin and apramycin), used to fight against epizootic rabbit enteropathy; ii) to deploy genomics methodologies targeting the rabbit species (improvement and re-annotation of a microarray) and the digestive microbiota (pipeline analysis of 16S rRNA gene), for molecular phenotyping. An innovative approach was used in this work through the combination of three complementary approaches: phenotypic, transcriptomic, and metagenomic. At the phenotypic level, the stimulation of the fermentation activity by FRF is verified with higher cecal VFA concentrations (+ 20%) and higher cecal acidity. Moreover, the FRF tend to reduce mortality post-weaning and improve feed efficiency. At the transcriptomic level, we obtained new data on the immunity of the adult rabbit with in vitro stimulation of peripheral blood mononuclear cells with LPS and PMA-ionomycin. This study confirms the importance of the rabbit as an animal model for biomedical research. In young rabbits, the new version of the microarray allowed us to show that biological functions are more quickly implemented with FRF than a standard diet, and that antibiotics level out the gene expression. In addition, FRF help to limit intestinal inflammation. At the metagenomic level, the targeting of the 16S rRNA, we showed that an increase in cecal microbiota activity is not associated with major changes of microbiota composition, with the exception of the stabilization of the relative abundance of Campylobacteraceae, which limits gastrointestinal inflammation. Our preliminary results did not identify significant correlations between gene expression in blood and/or ileum, and principal taxonomic profiles of the digestive microbiota. Our results suggest that FRF can be proposed as a new nutrition strategy peri-weaning, with improved feed efficiency and increased protection of digestive health, and secondly that genomic approaches are promising to describe more precisely phenotypes of interest in rabbits.

Au cours des dernières années, de nombreuses études ont porté sur les relations entre le microbiote intestinal et l'obésité. Des groupes bactériens ont été incriminés et des hypothèses proposées mais les mécanismes liant microbiote et obésité restent en grande partie inconnus. Le microbiote intestinal est constitué de plusieurs centaines d’espèces et est spécifique de chaque individu. Récemment, il a été révélé l’implication potentielle de ce microbiote dans le développement de l’obésité. Lors d’une étude précédente, notre équipe a ainsi montré que les souris sans germes (dites « axéniques ») sont résistantes à l’obésité et aux désordres métaboliques induits par un régime hypercalorique (Roy et al. 2012). Par ailleurs, nous avons observé que certaines souris conventionnelles soumises à un tel régime développent une obésité et une insulinorésistance importantes (phénotype dit répondeur) tandis que d'autres restent minces et tolérantes au glucose (phénotype dit non répondeur) indépendamment de la quantité de nourriture consommée. Les mécanismes expliquant cette hétérogénéité de phénotype sont actuellement peu connus. Ce projet de thèse vise donc à élucider les mécanismes liant le microbiote intestinal au développement de l'obésité et des désordres associés en partant du principe que l'hétérogénéité (en termes de composition et de fonctions) du microbiote intestinal, spécifique de chaque individu (aussi bien chez l'homme que chez le rongeur), joue un rôle dans ces réponses différentes à un même régime hypercalorique. Pour ce faire, des souris conventionnelles ont reçu un régime contrôle ou un régime hyperlipidique pendant 12 semaines. A l’issu de ce régime, des souris ont été sélectionnées en tant que répondeuses ou non-répondeuses Une approche par métagénomique à partir d’échantillons fécaux prélevés avant et après régime hyperlipidique et issus des souris répondeuses et non-répondeuses ont été analysés. Les profils de microbiotes avant et après régime hyperlipidique ont été comparés afin de déterminer les effets de ce régime sur le microbiote intestinal. De plus, le profil du microbiote des souris répondeuses a été comparé à celui des souris non-répondeuses afin de détecter des espèces bactériennes, des gènes ou des voies métaboliques sous- ou sur-représentés dans les deux phénotypes. Par ailleurs, des échantillons de fèces, d’urine et de plasma prélevés avant et après le régime hyperlipidique ont été analysés par métabolomique et nous avons ainsi analysé les fluctuations métaboliques induites par l’effet du régime. L’ensemble de ces travaux a eu pour but d’identifier s’il existe un microbiote de prédisposition au développement ou à la résistance du développement d’une obésité induite. Au cours de ce projet de thèse nous avons utilisé l’approche de métagénomique à partir d’échantillon fécaux afin d’identifier les profils du microbiote intestinal des souris NR et des souris R avant et après régime hyperlipidique en vue de mesurer l’impact de ce type de régime sur le microbiote, et surtout de détecter les espèces bactériennes, les gènes ou les voies métaboliques potentiellement sous- ou sur-représentés dans les deux phénotypes. D’autre part, l’approche de métabolomique a été utilisée sur des échantillons d’urine, de fèces et de plasma avant et après régime afin de visualiser les fluctuations métaboliques induites par l’effet du régime d’une part et d’identifier les métabolites (biomarqueurs) associés à chacun des phénotypes d’autre part. / In recent years, numerous studies have examined the relationship between the gut microbiota and obesity. Bacterial groups have been incriminated but the mechanisms linking microbiota and obesity remain largely unknown. Intestinal microbiota consists of several hundred species and is specific for each individual. Recently, it was revealed that the potential contribution of microbiota in the development of obesity. In a previous study, our team has shown that mice without germs (called "germ-free") are resistant to obesity and metabolic disorders induced by a high calorie diet (Roy et al. 2012). Furthermore, we observed that certain conventional mice subjected to such a plan develop an important obesity and insulin resistance (responder phenotype) while others remain thin and glucose tolerant (non responder phenotype) regardless of the amount of food consumed. The mechanisms explaining this phenotype heterogeneity are currently poorly known. This PhD project aims to elucidate the mechanisms linking the intestinal microbiota in the development of obesity and disorders associated with the assumption that heterogeneity (in terms of composition and functions) of the intestinal microbiota, specific for each individual ( both in humans than in rodents), plays a role in these different responses to the same high-fat diet. To do this, conventional mice received control diet or a high fat diet for 12 weeks. At the end of this diet, mice were selected as a responder or non-responder A metagenomics approach from fecal samples taken before and after high fat diet and from responder and non-responder mice were analyzed. Microbiota profiles before and after fat diet were compared to determine the effects of this diet on the intestinal microbiota. In addition, the profile of the microbiota of responder mice was compared to that of non-responder mice in order to detect bacterial species, genes or pathways under- or over-represented in both phenotypes. Furthermore, samples of feces, urine and plasma collected before and after fat diet were analyzed by metabolomics and we have analyzed the metabolic changes induced by the effect of diet. All of this work has been aimed to identify if there is a predisposition microbiota to the development or the resistance of induced obesity. In this PhD project we used the metagenomic approach from fecal sample to identify the profiles of the intestinal microbiota in mice NR and R mice before and after fat diet in order to measure the impact of this type of diet on the microbiota, and especially to detect bacterial species, genes or metabolic pathways potentially under- or over-represented in both phenotypes. On the other hand, the approach of metabolomics has been used on samples of urine, feces and plasma before and after diet in order to visualize the metabolic changes induced by the effect of diet on the one hand and to identify metabolites (biomarkers) associated with each other hand phenotypes.