Étude de l'échange électronique chez Clostridium pasteurianum - Effets métaboliques induits par une électrode ou Geobacter sulfurreducens

Study of Clostridium pasteurianum's electron exchange mechanism - Metabolic effects induced by an electrode or by Geobacter sulfurreducens

• Auteur / Autrice : Roland Berthomieu
• Direction : Nicolas Bernet, Eric Trably
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie et Microbiologie
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement (Narbonne)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Meynial
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Bernet, Eric Trably, Théodore Bouchez, Elie Desmond-Le Quéméner, Rémy Cachon, Wafa Achouak, Bruno Blondin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Meynial, Théodore Bouchez

Mots clés

Mots clés libres

Transfert extracellulaire d'électron

Clostridium sp.

Geobacter sp.

Cobamide

Ecosystème microbien

Electrofermentation

Microbial ecosystem

Clostridium sp.

Electrofermentation

Extracellular electron transfer

Cobamide

Geobacter sp.

Résumé

Les écosystèmes microbiens sont présents sur toute la surface du globe. On découvre de plus en plus leur rôle dans de nombreux environnements, réalisant tout autant de fonctions. Les cultures mixtes interviennent ainsi dans les cycles biogéochimiques, les cycles du carbone ou de l'azote, la fabrication de boissons ou d'aliments, les caries voire un « deuxième cerveau » dans l'intestin humain ! Si l'étude des microorganismes s'est souvent faite isolée dans un milieu artificiel, comprendre une bactérie sans son environnement ne permet pas de comprendre son activité réelle. Récemment, a été mis en évidence que certaines bactéries pouvaient interagir entre elles en s'échangeant des électrons. Ainsi la bactérie fermentaire Clostridium pasteurianum a pu être observée récupérer des électrons de la bactérie électroactive Geobacter sulfurreducens. Comme conséquence, la bactérie fermentaire a profondément modifié son métabolisme fermentaire. L'objectif de cette thèse a été de comprendre par quel mécanisme C. pasteurianum pouvait recevoir des électrons de son environnement et par quel mécanisme cette souche bactérienne modifiait son profil métabolique dans ce cas.Pour cela, C. pasteurianum a été cultivé au contact d'une électrode polarisée ou avec G. sulfurreducens et l'influence des paramètres opératoires sur le transfert d'électrons et le profil métabolique a été étudiée. Puis, un séquençage des ARN de C. pasteurianum a été réalisé afin de comprendre moléculairement les tenants et aboutissants de l'interaction entre C. pasteurianum et G. sulfurreducens.En termes de résultats, aucun transfert d'électrons entre C. pasteurianum et une électrode n'a pu être assurément détecté. Il semble bien y avoir une interaction entre C. pasteurianum et G. sulfurreducens, celle-ci dépendant notamment des états physiologiques des deux bactéries. Toutefois, il apparaît que le transfert d'électrons ne soit pas la cause directe du changement métabolique de C. pasteurianum. Les cobamides ont été proposées comme molécules candidates produites par G. sulfurreducens modifiant le métabolisme de la bactérie fermentaire. Bien que non avéré avec certitude, le transfert d'électrons pourrait être, du côté de C. pasteurianum, assuré par une polyferrédoxine à flavines transmembranaire, et ne compter que pour très peu dans le changement métabolique observé.Ces résultats, bien qu'ayant besoin d'expériences complémentaires de validation, permettent de mieux comprendre les écosystèmes microbiens et de proposer des pistes de contrôle métabolique de procédés de fermentation.

Microbial ecosystems are ubiquitous around the world. Their role in many environments and functions are more and more identified. Mixed cultures play thus an important role in biogeochemical, carbon and nitrogen cycles, in food products, tooth decay or even in the so-called “second human brain”. To date, microbial studies were usually conducted with pure cultures using an artificial medium, but these protocols do not allow for an adequate understanding of the microbe in a true environment. Recently, bacteria were proven to exchange electrons between each other. As such, the fermentative bacterium Clostridium pasteurianum was observed retrieving electrons from the electroactive bacterium Geobacter sulfurreducens, leading to a deep metabolic change of the former. The objective of this thesis was to understand both the electron-transfer mechanism and the metabolic-change mechanism of C. pasteurianum.In this perspective, C. pasteurianum was cultivated on an electrode or with G. sulfurreducens and the influence of experimental parameters on electron transfer and metabolic profile was studied. Then, RNA sequencing was performed on C. pasteurianum to understand molecular mechanisms underlying the C. pasteurianum - G. sulfurreducens interaction.No electron transfer was observed between C. pasteurianum and an electrode. The interaction of G. sulfurreducens with C. pasteurianum was proven to be dependent on the physiological state of both strains. However, it seemed that the metabolic change of the fermentative species was not induced by the electron transfer from the electroactive species. Instead, cobamide molecules could be proposed as compounds produced by G. sulfurreducens responsible for the metabolic dysregulation of C. pasteurianum. The electron transfer mechanism for the latter bacteria, though not strictly assessed, could occur through a transmembrane flavin-bound polyferredoxin. It was proposed to be only marginally responsible for the metabolic change observed.Yet lacking additional experiments, these results allow for both a better understanding of microbial ecosystems and new ways for monitoring fermentation processes.