Présentation Mohamed Jebbar LM2E UBO/IUEM/Ifremer CNRS
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Les micro-organismes des abysses : biomolécules et biotransformations en conditions extrêmes: 25 années de collecte et d étude des bactéries et archées profondes Prof Mohamed Jebbar Laboratoire de Microbiologie des Environnements Extrêmes, UMR 6197 Ifremer, CNRS, UBO 3e édition de notre conférence Biosciences en Finistère, 16 octobre Brest 2014 Thèmes de recherche du LM2E Étudier la diversité spécifique et fonctionnelle, ainsi que certains mécanismes adaptatifs mis en jeu par les communautés microbiennes des environnements marins extrêmes. 2 thèmes de recherche, correspondant à 2 niveaux d étude complémentaires, ont été retenus : – Étudier la diversité et le fonctionnement des communautés microbiennes des environnements extrêmes profonds – Expliciter certains processus « adaptatifs » à l aide d organismes modèles Diversité et fonctionnement des milieux extrêmes profonds ü Des sites ateliers et des zones d exploration dans un océan sans frontière : lier les études fonctionnelles et de nouvelles découvertes. Ashadze FUTUNA 4°S CIR Site forage, sources hydrothermales, sources froides et saumures, Sources terrestres Des moyens communs pour l’étude des milieux extrêmes : ü Les navires les flottes océanographiques ü Les engins sous-marins 1977,1979: découverte des sources hydrothermales océaniques profondes Riftia pachyptila reste l organisme emblématique des sites hydrothermaux. Site Ashadze sur MAR 4100 m, deux fumeurs actifs colonisés par un champ d'anémones Biotopes inattendus sur Terre basés sur la chimiosynthèse Caractéristiques physico-chimiques des sources hydrothermales océaniques profondes Ø Concentration en sel (35 g/L) - halophiles modérés Ø pH 3 à 8 en eau de mer - Principalement des neutrophiles Ø Température : 2 à plus de 350°C - Psychrophiles au hyper/thermophiles Ø Pression : dépend de la profondeur - Piezophiles Sea water O2 NO3SO42PO43~ pH 7.8 T°C ~2°C Hydrothermal fluid H2 CH4 CO/CO2 H2S heavy metals acidic anoxic T°C >350°C Diversité des procaryotes des sources hydrothermales océaniques profondes • Symbiontes Chimio-autotrophes • Autotrophes et hétérotrophes planctoniques • Bactéries associés à la surface • Hyper/thermophiles aérobies et anaérobies Desulfobacterium thermolithotrophicum • • • • • • • Fumeur noir, MAR, 3500m Bacteria L Haridon et al., 1998 Bâtonnet mobile Chimio-autotrophe donneur e-: H2 • Accepteur e-: S° • • • • G+C: 35% mol 40-70-75°C pH: 4-6-8 NaCl: 1,5-3,5-7% Temps de génération: 135 min Pyrolobus fumarii • • • • • • • Blöch et al., 1997 • Fumeur noir, MAR, 3650 m • Archaea • Coccoide • Chimiolithoautotrophe • Donnor e- : H2 • Accepteurs e- : NO3, S2O32-, O2 G+C: 53% mol 90-106-113°C pH: 4-5,5-6,6 NaCl: 1-1,7-4% Temps de génération: 60 min Tolérance: 25 MPa, 1h à 121°C Pyrococcus yayanosii Pyrococcus yayanosii sp. nov 1er micro-organisme hyperthermophile piézophile strict ayant repoussé les limites de la vie en eau sur Terre à haute pression (130 MPa) et haute température (110°C) P. furiosus (0m) P horikoshii (1400m) • P. abyssi (2200m) P. glycovorans (2650m) T barophilus (3550m) • P. yayanosii (4100m) Ashadze (Serpentine 2007 MAR,4500m) site le plus profond Optimum 98°C et 520 atm Zeng et al, ISME J. 2009 Birrien et al, IJSEM sous presse La majeure partie de la biosphère est sous pression Procaryotes : la majorité invisible Total : 4-6 1030 cellules, Milieu marin : 1,18 1029 cellules Zone euphotique : 3,6 1028 cellules, Océan profond (>1000m) : 6,5 1028 cellules Seulement ~12000 espèces de procaryotes, dont la majorité issues du sol, ont été décrites Oger et Jebbar., 2010, Research Microbiol, 161:799, Whitmann et al., 1998, PNAS, 95:6578 Pourquoi la majorité des microorganismes sont récalcitrant à la culture? 1. Connaisances insuffisantes ou manque d’imagination sur la chimie du milieu et la difficulté de recréer les conditions cultivabilité au laboratioire 2. L’échelle de temps inadaptée aux standards de la production scientifique dans une carrière : la patience n’est plus une vertue ! (Leadbetter, 2003) 3. Ce n est pas sexy et par conséquent …. Pas de crédits de recherche alloués! 4. Paradoxe de l’Isolement: vie libre vs vie sociale: une sous-estimation des interactions entre cellules via des communications intraou inter-espèces; la multicellularité est un trait général chez les bactéries et presque 100% de microbes vivent dans des biofilms ou en aggregats où ils interagissent naturellement de manières complexes avec leurs voisins. 5. Et puis? Pas nouveau! Mais une imagination insuffisante pour faire un design complet pour les cultures de microorganismes Alain et Querellou 2009 La plate forme robotisée de culture et d isolement projet COCAGNE (CPER Bretagne + état, validation 2011-2013). Culture de communautés en GMD et module de tri Manipulations de GMD, milieux, réactifs, cellules sur microbioréacteur à 384 or 96 canaux pH Control (pH sensor) Module de mesures des densités cellulaires Gaz F Column GMDc culture media P GMD maker + cytomètre de flux + trieur anaérobie Robot de pipetage dans chambre anaérobie Lecteurs microplaques+ microscope à platine robotisée ( seuils) Souchothèque de Bretagne: collection des extremophiles du LM2E IFREMER: 1281 isolats incluant 494 thermophiles et 787 mesophiles. (677 aerobes, 604 anaerobes, 350 archaea et 930 bacteria). CNRS/UBO: 485 thermophiles (120 aerobes, 365 anaerobes, 350 archaea et 135 bacteria) et 1435 mesophiles. Venuceane ™ Grâce à la biotechnologie, Venuceane ™ exploite la puissance de Thermus thermophilus pour apporter ses bienfaits à la peau humaine. Venuceane ™ est une solution hydroglycérinée obtenue par fermentation pour créer un complexe enzymatique thermostable. En utilisation, elle offre le double avantage d être activé par la chaleur et résistant aux UV, même dans des conditions climatiques réelles, in vivo . Venuceane ™ potentialise la capacité d'auto-protection de la peau, et générant une modulation de la réponse flexible à l'agression, tandis que la substance active est stable et quasi inépuisable, comparé aux autres solutions (vitamines, polyphénols, SOD). elle empêche l apparition des signes visibles du photo-vieillissement (taches, rides, sécheresse), protège les structures cellulaires contre les dommages occasionnés par les rayonnements UV et renforce l intégrité de la peau. Venuceane est recommandée dans: Formulations Anti-âge Formulations pendant ou après bronzage. formulations de soins de jour, en particulier les traitements anti-oxydants Propriétés des ADN polymérases hyper/thermostables utilisées en PCR ADN polymérases et acides nucléiques endommagés ü Nouveaux outils moléculaires pour l’amplification d’ADN endommagé Ø Une seule ADN thermostable disponible sur le marché: DPO4 (famille Y), Trevigen Séquences amplifiées peu fiables Spectre restreint d amplification de dommages génomiques Brins synthétisés trop courts Ø Amplification d ADN endommagé par les ADN polymérases de P. abyssi 75 bp 48 bp Mésappariement 3 -terminal Bexo- B Bexo- B Bexo- B Bexo- B Dexo- D Dexo- D Dexo- D Dexo- D PCR simplex Taq 500 bp 0 1 2 3 - 0 1 2 3 Applications possibles en médicine légale, paléogénétique… - 0 1 2 3 Maintenance génomique des Archaea hyperthermophiles Aspects Biotechnologiques Without RPA 0 RPA 10 µM 0 DNase I DNase I 0 RPA DNA + RPA ADN DNA protected DNA degraded Storage 12 mmonths at 12°C Efficient protection of ssDNA 0 RPA Pfu PCR Taq PCR DNA + - + - + - + - RPA - - + + - - + + DNA + RPA DNA DNA binding activity is conserved After storage 12 months at 12°C Compatible with PCR applications La grande sous unité du RPA comme réactif de Biologie moléculaire. Un brevet déposé: Amplification d ADN Protection de l ADN à T°C ambiante développement de la technologie HDA comme module d amplification d ADN pour capteurs environnementaux. Procédé de découverte de nouvelles enzymes en haut débit (Projet MAMBA 7èmePCRD 2009-2013) Protein expression characterization Genomes-metagenomes Enzyme Production Sampling Sample processing Screening platforms Enrichments Isolates, libraries Enzyme improvement Conclusions • Exploration de la biodiversité de la Terre est loin d’être terminée • De nouveaux biotopes et des formes de vie sont encore à découvrir • Les frontières physico-chimiques et géographiques de la vie sur Terre ne sont pas encore connues • La majorité des découvertes sont de la biosphère profonde sont à venir • Les extremophiles de l’océan profond constituent une ressource génétique marine pour caractériser de nouvelles macromolécules ayant des structures et des activités adaptées aux conditions extrêmes • Des biotopes similaires (passé ou présent?) où sont présents des formes de vie procaryotique notamment extremophiles, peuvent exister au sein du système solaire Photo du site Logatchev MAR, 3000m
