Génomique Métabolique

Les fluides riches en hydrogène (H2) libérés par les sources hyperalcalines associées à la serpentinisation représentent une opportunité unique pour explorer la production d’H2 naturel, considéré comme une source importante d’énergie naturelle et décarbonée potentiellement exploitable. En subsurface et plus particulièrement en milieu ultramafique, l’H2 est la principale source d’énergie pour les microorganismes, qui pourraient en retour impacter son flux et son temps de séjour des profondeurs à la surface (à des T < 100°C). Les microorganismes qui consomment ou produisent de l’H2 ont été documentés dans plusieurs systèmes associés à la serpentinisation dans le monde. Cependant, leurs interactions et leurs contributions au devenir de l’H2 dans ces systèmes restent largement méconnues. Le projet de recherche HYDROGENOMIC vise à évaluer et à comprendre le rôle des microorganismes dans la régulation des concentrations d’H2 et son devenir dans plusieurs sources hyperalcalines (considérées comme des fenêtres ouvertes sur la biosphère de subsurface). Notre recherche expérimentale se focalisera sur deux sites hyperalcalins montrant des concentrations d’H2 différentes (massif de Voltri, Italie ; Baie de Prony, Nouvelle-Calédonie). Nous déchiffrerons les métabolismes, adaptations et interactions inter-espèces des microorganismes, et les relierons à la biogéochimie de l’H2 en réalisant des incubations sur le terrain et des expériences en laboratoire combinant des approches complémentaires culturales, de tri en cytométrie en flux et omiques, couplées à des analyses bio-informatiques avancées, pour enrichir, isoler et caractériser les microorganismes indigènes actifs. Les données obtenues dans ce projet seront comparées à celles déjà obtenues par notre consortium dans deux autres sites (massif de Ronda, Espagne ; Bulqizë, Albanie), pour caractériser le métabolisme H2 et les interactions des acteurs microbiens clés à partir de ces écosystèmes uniques. En reliant l'activité des microorganismes (pour la plupart incultivés) originaires des systèmes associés à la serpentinisation avec leur rôle dans la production et la consommation d’H2, nous répondrons aux principales questions scientifiques qui freinent actuellement les progrès de l'exploration géologique de l’H2 naturel, à savoir : 1) pourquoi la concentration en H2 varie dans différentes sources d’une seule formation ultrabasique, 2) Existe-t-il des facteurs abiotiques ou biotiques spécifiques empêchant la consommation d’H2 et favorisant ainsi son accumulation. Le projet fournira aussi des connaissances cruciales sur les hydrogénotrophes de subsurface, nécessaires pour optimiser le stockage souterrain de l’H2 dans les réservoirs naturels et aborder des questions plus fondamentales sur l’un des métabolismes les plus primitifs de la vie sur Terre.

La biomasse lignocellulosique est une matière première abondante, peu coûteuse et durable pour permettre la décarbonisation des industries chimiques, mais la récalcitrance de la lignocellulose est un obstacle majeur à sa bioconversion en carburants et produits chimiques. Les Clostridies sont des bactéries anaérobies comprenant des espèces nativement capables de fermenter la lignocellulose en produits biochimiques de commodité. Cependant, des technologies innovantes sont nécessaires pour concevoir des souches et des co-cultures de Clostridies avec des capacités améliorées pour métaboliser complètement la lignocellulose avec un prétraitement minimal. La réduction du prétraitement de la lignocellulose est essentielle pour des raisons environnementales et économiques, mais présente de nouveaux défis car le prétraitement doux signifie que le xylane n'est pas modifié, ce qui entraîne l'accumulation de xylo-oligosaccharides qui diminuent le rendement et inhibent l'activité cellulasique. Dans le cadre du projet REBBAR, nous étudierons et optimiserons la capacité des biocatalyseurs clostridiens à dégrader et à métaboliser les xylo-oligosaccharides (B-XOS) complexes. Le projet REBBAR a pour objectif d'élucider les voies d'utilisation des B-XOS chez les Clostridies, de construire des souches avec une meilleure utilisation des B-XOS et de développer des co-cultures de souches pour accélérer la conversion des B-XOS en éthanol. Ce projet permettra non seulement d'améliorer notre compréhension de la manière dont les xylo-oligosaccharides sont utilisés naturellement, mais permettra également d'appliquer directement ces connaissances à un problème industriel.

Le projet DEDALE se focalise sur la production durable d'analogues de pentose phosphate à partir de Lévoglucosénone (LGO) biosourcée, grâce à la conception de voies multi-enzymatiques innovantes. Ces intermédiaires dérivés de sucres présentent un fort potentiel en tant que composants renouvelables pour des applications chimiques et biotechnologiques. Le projet vise à exploiter ce potentiel en développant d'efficaces cascades biocatalytiques capables de convertir la LGO en divers analogues de pentose phosphate, grâce à une approche innovante combinant exploration de la biodiversité, criblage combinatoire à haut débit, conception d'expériences et mise à l'échelle. Plus précisément, DEDALE s'appuiera sur une approche enzymatique combinatoire pour identifier les séquences d'enzymes les plus efficaces et optimiser leurs conditions. Si l'objectif principal est de générer des molécules de type pentose phosphate structurellement diversifiées, une attention particulière sera portée aux défis intrinsèques de la biocatalyse multi-étapes. Il s'agit notamment d'ajuster finement les ratios enzymatiques et les concentrations de substrat afin de surmonter les goulots d'étranglement cinétiques, d'éviter l'inhibition par des intermédiaires et de favoriser la formation des cibles souhaités tout en minimisant les réactions secondaires ou les sous-produits toxiques. Les travaux préliminaires menés à l'URD ABI sur des cascades simplifiées en deux étapes, telles que la conversion de LGO en 2-HBO, ont démontré l'importance cruciale de l'orchestration de l'ordre et des proportions enzymatiques pour orienter la réaction vers la voie la plus favorable. Fort de ces connaissances, DEDALE étendra cette stratégie à des cascades plus complexes, en combinant des enzymes de diverses familles de manière combinatoire et statistique, grâce à la puissance robotique, afin d'élargir l'espace chimique des dérivés de pentoses phosphates accessibles. En associant la valorisation de la LGO à une ingénierie biocatalytique avancée, le projet vise à terme à contribuer au développement de voies de synthèse plus écologiques et plus polyvalentes pour des molécules plateformes dérivées de sucres.

Les algues de la glace de mer et le phytoplancton, en particulier les diatomées, sont des organismes photosynthétiques essentiels dans l'océan Arctique. Près du pôle Nord, les variations saisonnières du rayonnement solaire sont extrêmes, avec des photopériodes allant de 0 à 24 heures d'un solstice à l'autre. Nous savons que les microalgues, organismes photosynthétiques, réagissent à ces variations saisonnières par photoacclimatation, leur taux de croissance et leur cycle de vie. Cependant, on connaît mal le rôle de la photoperception, impliquant les photorécepteurs, et de la photorégulation dans l'orchestration de ces variations saisonnières dans l'activité des microalgues vivant près du pôle Nord. L'objectif global d'ARCLIGHT est d'identifier les mécanismes de photoperception et de photorégulation qui contribuent à moduler les activités saisonnières des microalgues aux très hautes latitudes. ARCLIGHT reposera sur deux piliers complémentaires, combinant des données physiologiques et environnementales acquises à partir de la station polaire Tara et des expériences de laboratoire basées sur des modèles avec des approches biologiques de pointe. Deux questions de recherche fondamentales seront abordées afin de comprendre (1) le réveil de la photosynthèse au début du printemps et (2) l'adaptation à la variation de la longueur du jour et le rôle du photopériodisme. Par exemple, au début du printemps, y a-t-il une restauration de l'appareil photosynthétique chez les microalgues polaires après la nuit polaire, et si oui, est-elle déclenchée par la photoperception? Ou encore, quel rôle joue le photopériodisme dans la succession des espèces de diatomées au printemps ? ARCLIGHT apportera des informations fondamentales sur les mécanismes de photorégulation du phytoplancton arctique aux latitudes les plus extrêmes et dans un environnement changeant.

Dans le monde vivant, les génomes de bactériophages présentent la plus grande diversité chimique de nucléobases non-canoniques. Certains virus à ADN infectant des hôtes tels que les protéobactéries, les cyanobactéries et les les actinobactéries présentent une substitution totale de l'adénine par l'aminoadénine (Z), formant ainsi trois liaisons hydrogène dans les paires Z:T et violant les règles de Watson-Crick. La voie de biosynthèse de l’amino-désoxyadenosine triphosphate (dZTP) a été élucidée pour deux bactériophages contenant des génomes ZTGC et nous avons montré que les ADN polymérases de ces phages discriminent en faveur de l'incorporation de l’aminoadénine et à l'encontre de l'adénine canonique. Ces bactériophages codent également pour des enzymes de modification du métabolisme des nucléotides qui semblent favoriser la synthèse de leurs génomes ZTGC. Le premier objectif de ce projet ANR est de rechercher de nouveaux génomes de bactériophages possédant du ZTGC dans les banques de données génomiques afin d’étudier leur distribution dans l’environnement. Le second objectif est de caractériser fonctionnellement de nouvelles enzymes de phages impliquées dans la propagation des génomes ZTGC. Le dernier volet est l’étude cristallographique des protéines présentant de nouvelles activités enzymatiques ou de nouvelles spécificités de substrat. Ce projet qui a déjà permis de caractériser des activités enzymatiques inédites permettra d'accroître notre compréhension de l'évolution et de l'écologie des phages à ADN modifié. La découverte de nouvelles activités enzymatiques pourra servir à la manipulation des acides nucléiques pour des applications biotechnologiques.

Ce projet vise à développer une méthode prédictive pour comprendre et quantifier l’évolvabilité des protéines — c’est-à-dire leur capacité à acquérir de nouvelles fonctions par mutation et sélection. Bien que les récents progrès en matière de modèles probabilistes génératifs, comme l’analyse des couplages directs (DCA), les machines de Boltzmann restreintes (RBM) et les modèles de langage protéique (pLM), aient considérablement amélioré la prédiction des structures protéiques et des paysages mutationnels, ces outils restent limités dans leur capacité à anticiper les innovations évolutives. Notre objectif est de dépasser la simple prédiction des effets mutationnels pour atteindre une compréhension mécanistique des facteurs qui rendent certaines séquences protéiques plus évolutives que d’autres. Pour y parvenir, le projet combine modélisation computationnelle et validation expérimentale à grande échelle. En analysant des alignements multiples de séquences (MSA) et en extrayant des signatures statistiques contextuelles au sein de familles de protéines, nous développerons des métriques robustes et basées sur les séquences pour estimer la robustesse mutationnelle et l’évolvabilité fonctionnelle. Ces prédicteurs seront comparés à des données expérimentales issues de deux systèmes enzymatiques : les kinases ROK et les bêta-lactamases. Ces enzymes offrent des modèles complémentaires — les kinases ROK, d’intérêt industriel, présentent une activité promiscue vis-à-vis des substrats, tandis que les bêta-lactamases jouent un rôle clé dans la résistance aux antibiotiques, enjeu majeur de santé publique. Le projet s’articule autour de trois tâches principales : La tâche 1 est consacrée à la prédiction de la robustesse mutationnelle — la capacité d’une protéine à maintenir sa fonction malgré des modifications de séquence. Nous construirons et comparerons des modèles basés sur la DCA, les RBM et les pLMs pour en extraire des mesures entropiques traduisant la tolérance contextuelle aux mutations. Ces prédictions seront validées expérimentalement via des analyses de mutations profondes (DMS), incluant des mutations simples et doubles, afin de cartographier empiriquement les paysages de fitness de plusieurs protéines homologues. La tâche 2 cible la prédiction de la promiscuité fonctionnelle et de l’évolvabilité. Des modèles à variables latentes seront entraînés pour identifier les signatures de séquence associées à la spécificité ou à la multi-spécificité. Ces prédictions seront testées par des cycles itératifs de mutagenèse génomique et de sélection relâchée, afin de générer et suivre des populations enzymatiques divergentes. La capacité de ces séquences à évoluer vers de nouveaux substrats servira d’indicateur empirique de l’évolvabilité. La tâche 3 explorera les trajectoires évolutives en simulant des chemins mutationnels plausibles entre des variantes protéiques présentant des différences en robustesse ou en spécificité. Ces trajectoires in silico seront confrontées aux résultats expérimentaux des essais de diversification. Certains intermédiaires seront synthétisés et testés afin d’évaluer la pertinence des modèles. L’approche interdisciplinaire du projet établit un pont entre physique statistique, apprentissage automatique et biologie moléculaire, en s’appuyant à la fois sur l’innovation théorique et les avancées technologiques en mutagenèse, séquençage et criblage fonctionnel à haut débit. En combinant modélisation prédictive et validation ciblée, nous chercherons à révéler les déterminants de séquence de l’évolvabilité des protéines, à guider des stratégies de bio-ingénierie, et à fournir de nouveaux outils pour anticiper et contrer la résistance aux antibiotiques. In fine, le cadre développé offrira une stratégie généralisable pour quantifier l’évolvabilité dans diverses familles protéiques, avec des applications allant de la biologie évolutive fondamentale à la biologie synthétique et à l’innovation biomédicale.

Le projet PanGAIMiX, dédié à la microbiologie computationnelle, s'articule autour de quatre axes de recherche innovants. PanGAIMiX visera tout d’abord à développer des modèles avancés pour les graphes de pangénomes, permettant d'étendre les comparaisons de génomes du niveau des espèces à celui des genres. Deuxièmement, PanGAIMiX exploitera des méthodes fondées sur les réseaux neuronaux basés sur des graphes pour identifier des contextes génomiques conservés à travers des milliers de pangénomes. Cette approche devrait permettre de délimiter des modules fonctionnels partagés en exploitant les motifs de convolution issus des contraintes évolutives sur les gènes. Le troisième axe utilisera des grands modèles de langage pour prédire des processus biologiques, tels que des voies métaboliques ou des systèmes de défense. Chaque pangénome sera représenté comme une séquence de phrases, où les mots sont des unités fonctionnelles issues des familles de gènes. Cette approche apprendra les relations complexes entre ces familles à travers différentes espèces, permettant de prédire des fonctions manquantes et de nouveaux processus biologiques. Finalement, le projet développera PanGBank, une base de données pangénomique exhaustive regroupant les génomes de plus de 40 000 espèces microbiennes qui sera rendue publiquement accessible via une API web. Elle servira à des cas d’utilisation démontrant la pertinence des développements méthodologiques, comme l'étude de la diffusion des gènes de résistance aux antibiotiques dans les bactéries ESKAPEE et la découverte de nouvelles voies métaboliques en explorant des modules de réactions conservés dans les pangénomes. Appliquées à une large diversité d'espèces, les approches dans PanGAIMiX permettront de dévoiler des schémas évolutifs jusque-là inaccessibles et apporteront de nouvelles perspectives sur l'évolution et le fonctionnement des communautés microbiennes, favorisant des avancées en santé, sciences environnementales et biotechnologie.

Le plancton joue un rôle central dans la biogéochimie océanique, influençant les flux de carbone et les niveaux de CO2 atmosphérique. Mais les modèles biogéochimiques actuels négligent les mécanismes moléculaires d'adaptation des espèces, limitant notre compréhension de leurs réponses au changement climatique. Ce projet, Seascales, explore au niveau génétique l'adaptation à la température de protistes cosmopolites du plancton par des variants protéiques. Seascales combine une analyse métagénomique à grande échelle avec des tests biochimiques à haut débit, des mesures et modélisations métaboliques, ainsi que des expériences sur un organisme modèle, Bathycoccus. Après détection et comparaisons de séquences de variants protéiques issus de populations de lignées eucaryotes cosmopolites, nous cherchons à identifier des signatures putatives d'adaptation à la température. Nous construirons in vitro une collection de 400 variants psychrophiles et mésophiles d’enzymes recombinantes. La moitié de ces variants protéiques sont issus de cultures de souches psychrophiles et mésophyles de B. prasinos, l’autre moitié de génomes environnementaux (400 au total) que nous allons comparer en biochimie en mesurant les caractéristiques enzymatiques et la température de dénaturation. Nous exploitons des données métabolomiques de Bathycoccus, à la fois par construction in silico de modèles, et in vitro à partir des cultures. En parallèle, nous utiliserons notre savoir-faire en génie génétique sur Bathycoccus (échanges de gènes) pour explorer les effets physiologiques et métabolomiques des variants enzymatiques. Nous visons des enzymes clés des cycles biogéochimiques pour lesquelles nous pouvons obtenir des protéines purifiées et effectuer des tests biochimiques. Nous disposons des données préalables, méthodes et de l'expertise nécessaires, ainsi que de résultats préliminaires de toutes les principales méthodes. Notre projet comblera le fossé entre la génomique et les observations passées de la plasticité fonctionnelle des communautés, élargissant ainsi notre compréhension de l'influence de la température sur le plancton. Les résultats seront cruciaux pour comprendre la vulnérabilité du plancton au changement climatique et offriront des informations sur les facteurs génétiques affectant la stabilité et l'efficacité des enzymes.

Des événements de polyploïdisation sont visibles chez diverses espèces de champignons, de plantes et d’animaux. La polyploïdie est clé pour l’adaptation, la spéciation et la tumorigenèse. Cependant, l’origine, la structure et l’évolution des populations polyploïdes ne sont pas toujours claires, et l’architecture précise de leur génome complexe est mal connue. Si le séquençage et l’assemblage des génomes sont désormais monnaie courante, le phasage et l’assemblage d’haplotypes de génomes polyploïdes restent un véritable défi. La détermination des haplotypes dans les polyploïdes est biologiquement pertinentes et constituent une étape essentielle afin de mieux comprendre l'évolution des polyploïdes ainsi que leur stabilité par exemple. Nous proposons de tirer parti de l’organisme modèle, la levure, pour disséquer l’architecture génomique complexe des génomes polyploïdes. Pour cela, nous allons nous concentrer sur différentes espèces de levures, en capturant des événements d’auto- et d’allopolyploïdie. Nous séquencerons des populations polyploïdes (environ 630 génomes) par séquençage à lecture longue. L’un des principaux défis sera de développer des stratégies pour phaser et assembler des génomes polyploïdes. L'ensemble de données générées nous permettra d'aborder un grand nombre de questions concernant l'évolution des génomes polyploïdes. Deuxièmement, nous explorerons l’impact de la ploïdie sur le paysage phénotypique. Nous étudierons un grand nombre de caractères (des milliers par isolat), réaliserons des études d'association pangénomique et décortiquerons l'architecture génétique de caractères complexes chez les polyploïdes. Enfin, nous nous concentrerons sur l'instabilité génomique et le potentiel adaptatif des événements de polyploïdisation via des évolutions expérimentales. Nos travaux permettront d'intégrer la polyploïdie dans une étude génomique des populations afin de d’étudier les impacts de la variation du niveau de ploïdie sur les populations.

L'Organisation mondiale de la santé et de nombreux organismes de santé recommandent l'allaitement maternel exclusif pendant les six premiers mois de la vie. Néanmoins, ces dernières années, plusieurs cas de bactériémies sont survenus à l’hôpital chez des nouveau-nés prématurés avec un lien possible avec des lots de lait maternel contaminés par la bactérie pathogène Bacillus cereus (Bc). Ce projet vise à déterminer le statut de contamination d’échantillons de lots de laits maternels provenant de lactariums et de son environnement à l’égard de ce danger. Le potentiel de virulence des souches de Bc isolées des laits sera estimé en quantifiant le niveau de production des toxines émétiques (céréulide) et diarrhéiques (entérotoxines), ainsi qu’en évaluant sa toxicité chez l’hôte grâce au modèle Drosophila melanogaster. Une comparaison avec des souches impliquées dans les infections humaines en France permettra ensuite de déterminer l'importance relative des différentes voies de transmission (maternelle ou environnementale) et leur implication possible dans les maladies infectieuses chez les nouveau-nés. Les différents enjeux sociopolitiques et contextuels liés aux débats sur le lait maternel seront également identifiés et analysés. Ainsi, les professionnels de santé seront mieux à même de justifier l'adéquation et la pertinence des mesures de contrôle mises en œuvre face au danger Bc, le cas échéant les réexaminer et de diffuser les pratiques préventives sélectionnées.

The extensive use of plastics since the middle of the last century and the lack of guidelines for the management of the huge amounts of waste they generate has led to contamination of aquatic and terrestrial ecosystems. Among petroleum-derived plastics, the most used are polymers with C-C bonds like polyethylene (PE) or polystyrene (PS), and polyesters like polyethylene terephthalate (PET), highly recalcitrant materials that can persist in ecosystems for many years. Biological degradation of of these macromolecules it is not very effective, and natural decomposition is mostly mediated by abiotic factors, releasing micro and nanoplastics into the environment. BioPlastOmics aims to explore Brazil's exceptional biodiversity to address the problem of plastics pollution (with PE, PS and PET as models) by using cutting-edge omics techniques to identify new microbial strains and their active enzymes in micro/nanoplastics. The Brazilian partner will collect environmental samples of microbial communities from different plastic-contaminated habitats, isolate relevant fungal and bacterial strains, perform a preliminary screening of degradation of the model plastics, and analyze their properties and the toxicity of the products released from microbial action. The French team will tackle the taxonomical identification of the selected communities by metagenomics analysis and will search for genes that encode hypothetical degradative activities of interest for bioremediation. The Spanish partner will deal with the work related to protein analysis and characterization, secretomic analyses from the isolated microorganisms, gene expression for production of relevant enzymes from natural isolates or from metagenomes, protein purification and characterization. The outcomes of this project will comprise an exciting pool of data, compiling ecological information on the microbial diversity of the sampled areas and disclosing the adaptive strategies of exposed microbial communities for the degradation of these contaminants (novel or better-adapted biocatalysts, synergies between organisms or enzymes, etc.). This could finally be reflected in innovative biotechnological solutions (bioreactors with enzymes, microorganisms or consortia in water purification plants to combat plastic pollution for, contributing to biodiversity preservation.

La métagénomique à mis à jour un grand nombre de clades bactériens non cultivées appelées « la matière noire microbienne », incluant un grand groupe de bactéries de taille nanométrique formant le candidate phyla radiation (CPR) comptant >15% de la diversité bactérienne. Le groupe des CPR est majoritairement composé d’organismes symbiotiques avec des rôles clés dans la formation des écosystèmes et le cycle des nutriments. Ces dernières années, plusieurs études ont décrit l’écologie, la diversité et le fonctionnement de quelques bactéries CPR classifiées comme bactéries prédatrices, mais les observations ne sont pas simples, restent aléatoires et seulement quelques hôtes ont été identifiés. Récemment, notre consortium a observé de façon reproductible et identifié différentes populations de bactéries magnétotactiques (MTB) d’habitats microoxique-anoxiques en symbiose avec des bactéries CPR de taille nanométrique. Les CPR sont partiellement associées à l’intérieur de leur hôte magnétotactique, conduisant à une modification de sa membrane externe suite au contact avec les CPR. Ainsi, nos observations suggèrent que les symbioses MTB-CPR durent dans le temps, sans la désintégration de l’hôte et pourraient même reposer sur une interaction mutualiste. Le magnétisme des MTB représente un avantage pour caractériser les bases fonctionnelles de cette interaction. Dans ce projet, nous aborderons des défis réalisables avec des risques faibles et des bénéfices élevés avec l'étude de la biodiversité de l'interaction MTB-CPR et des bases fonctionnelles de l'interaction physique et de la coopération, mais proposons également de tenter la culture d'un modèle de CPR aux risques mesurés mais qui en vaut la peine. Ce projet repose sur un consortium multidisciplinaire couplant microbiologie environnementale, génomique single-cell, microscopie et phylogénomique, et associant une expertise reconnue dans tous les modèles et disciplines concernés.