Etude de l’hétérogénéité métabolique chez la bactérie Escherichia coli lors de sa croissance en mélange glucose/xylose

Metabolic heterogeneity in E coli during growth on glucose/xylose mixes

• Auteur / Autrice : Manon Barthe
• Direction : Muriel Cocaign-Bousquet, Brice Enjalbert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénieries microbienne et enzymatique
• Date : Soutenance le 30/03/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Jury : Président / Présidente : Matthieu Jules
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Muriel Cocaign-Bousquet, Brice Enjalbert, Franck Delvigne, Hans Geiselmann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Delvigne, Hans Geiselmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Glucose

Escherichia coli

Mots clés libres

Hétérogéneité

E. coli

Glucose

Xylose

Heterogeneity

E. coli

Glucose

Xylose

Résumé

Lors de sa croissance, la bactérie Escherichia coli doit faire face à d’importantes fluctuations en termes de nature et de quantité des nutriments disponibles. L’utilisation de sources de carbone multiples se fait de façon séquentielle et induit des latences entre les consommations de chaque substrat appelé phase de transition. L’adaptation des cellules lors de ces phases de transitions a longtemps été regardé comme homogène au sein de la population, mais de récentes études ont suggéré des variations de phénotype entre cellules de la même population. Les mécanismes à l’origine de cette variabilité restent partiellement élucidés. Notre étude a porté sur l’adaptation des cellules lors d’une croissance sur un mélange glucose/xylose, d’intérêt dans un contexte de valorisation de la biomasse végétale. Nous avons mis en place une méthodologie d’étude permettant l’observation de la variabilité phénotypique d’une population d’Escherichia coli lors de sa croissance sur mélange glucose/xylose. L’application de cette méthodologie a permis de mettre en évidence le rôle central du facteur de transcription XylR dans le contrôle de la durée de la transition glucose/xylose. Ainsi la durée du temps de latence entre la consommation du glucose et du xylose a été montrée comme modulable et impactée par la disponibilité en XylR. Quand cette disponibilité est rendue insuffisante, une majorité des cellules ne parvient pas à mettre en place le nouveau programme métabolique, créant une hétérogénéité dans la population. Nous avons enfin exploré les propriétés phénotypiques des deux sous-populations et montré que les cellules non-adaptées entrent dans un état ressemblant à de la dormance. Nous avons également caractérisé les modifications du programme transcriptionnel lors de la transition glucose/xylose par une étude transcriptomique. Ces travaux ont fourni la première description exhaustive de la transition glucose/xylose et illustrent la possibilité de créer une bistabilité phénotypique dans une population en jouant sur la disponibilité d’un seul facteur de transcription.

Escherichia coli, naturally living in the intestinal flora, is subject to large fluctuations in the nature and quantity of the nutrients availability. Multiple carbon sources are sequentially consume with cells exhibiting transition phases between each substrate consumption. Cellular adaptation during these transitional phases has long been considered homogeneous within the population, while recent studies suggest cell-to-cell phenotypic variability during transition. The mechanisms behind this variability remain only partially elucidated. Our study focuses on the adaptation of cells during growth on glucose and xylose mix. This mixture of substrates is of interest in the context of plant biomass valorization. We developed a methodology allowing phenotypic variability observation in a population of Escherichia coli during growth on a glucose/xylose mixture. Through this method, we highlighted the role and importance of the transcription factor XylR in the duration of the glucose/xylose transition. Thus, the latency duration between glucose and xylose consumption has been shown to be flexible and impacted by the availability of XylR. When this availability is insufficient, the major part of the cell are not able to restart a new metabolic program, creating a heterogeneity in the population between cells that have adapted and the others. Finally, we explored the phenotypic properties of the two subpopulations and showed that unadapted cells enter a dormant-like state. Transcriptional program changes during glucose/xylose transition were also characterized by a transcriptomic study. This work provide the first exhaustive description of the glucose-xylose transition and illustrates the possibility of creating phenotypic bistability in a population by playing on the availability of a single transcription factor.