Métagénomique fonctionnelle du microbiote du rumen bovin pour la découverte d’enzymes de dégradation de polymères naturels et synthétiques

Functional metagenomics of the bovine rumen microbiota to boost enzyme discovery for complex polymer breakdown

• Auteur / Autrice : Lisa Ufarté
• Direction : Gabrielle Potocki-Veronese
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie Microbienne et Enzymatique
• Date : Soutenance le 25/02/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Ecologiques, Vétérinaires, Agronomiques et Bioingénieries
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés - Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés / LISBP
• Jury : Président / Présidente : Thierry Giardina
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gabrielle Potocki-Veronese, Elisabeth Laville, Diego Morgavi, Daniel Zalko
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Giardina, Trevor Charles

Mots clés

Mots clés contrôlés

Criblage pharmacologique

Microflore

Enzymes

Panse -- Microbiologie

Métagénomique

Mots clés libres

Métagénomique fonctionelle

Rumen bovin

Enzymes

Criblage haut débit

Functional metagenomics

Bovine rumen

Enzymes

High-throughput screening

Résumé

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