Approche intégrative du métabolisme spécialisé des micro-organismes associés aux termites de Guyane française

Integrative approach of specialized metabolism of termite associated microorganisms from French Guiana

• Auteur / Autrice : Téo Hebra
• Direction : David Touboul, Véronique Éparvier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 06/12/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie des substances naturelles (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1959-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Soizic Prado
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Touboul, Grégory Genta-Jouve, Jean-Hugues Renault, Sylvie Lautru
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Grégory Genta-Jouve, Jean-Hugues Renault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métabolomique

Biosynthèse

Métabolites

Microorganismes -- Analyse

Chimie analytique

Mots clés libres

Biosynthèse

Métabolomique

Métabolites spécialisés

Micro-Organismes

Réseau moléculaire

Biosynthesis

Metabolomics

Specialized metabolites

Microorganisms

Molecular network

Résumé

Les métabolites spécialisés constituent un réservoir important de molécules à haute valeur ajoutée. Les microorganismes sont des sources de composés antimicrobiens parmi les plus prolifiques. Cependant, au niveau de la recherche d’antimicrobiens il y a de moins en moins de découvertes de nouveaux squelettes chimiques notamment chez les espèces de microorganismes les plus étudiées appartenant au genre Streptomyces. L’association termites-microorganismes est une niche écologique originale et peu exploitée. Des travaux précédents réalisés dans l’équipe « Chimie Fonctionnelle – Écologie Chimique » à l’ICSN ont mis en évidence que des microorganismes associés aux termites de Guyane française produisent des molécules antimicrobiennes originales. L’objectif des travaux de la thèse « Approche intégrative du métabolisme spécialisé des microorganismes associés aux termites de Guyane française » est de caractériser les molécules potentiellement antimicrobiennes produites par 126 souches de microorganismes interagissant avec les termites, en utilisant l’approche des réseaux moléculaires. A cette fin, les stratégies de métabolomique basées sur le couplage chromatographie liquide et spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS) qui permettent de générer des réseaux moléculaires en regroupant les molécules par famille structurale seront utilisées. Dans un premier temps, les identifications taxonomiques des souches de la souchothèque de l’ICSN ont été remises à jour et complétées grâce à une méthode chimiotaxonomique exploitant les profils protéiques de microorganismes obtenus par spectrométrie de masse. Puis, 126 extraits bruts, générés à partir des souches, ont été testés contre 3 pathogènes humains (Staphylococcus aureus résistant à la méticilline, Candida albicans et Tricophyton rubrum) et une lignée cellulaire humaine saine (MRC5) permettant d’implémenter les réseaux moléculaires et conduisant à la sélection de cinq souches de microorganismes. Par la suite, l’annotation des métabolomes de 3 espèces de champignons filamenteux : Penicillium sclerotiorum SNB-CN111, Neonectria discophora SNB-CN63 et Pseudallescheria boydii SNB-CN71, -CN73, -CN81 et -CN85, a été réalisée conduisant à la caractérisation in silico de plus de 100 métabolites. Ces annotations ont été vérifiées par l’isolement et l’hémisynthèse de 14 molécules (produites par P. sclerotiorum SNB-CN111) de type azaphilones (dont 4 nouvelles). Ce travail d’annotation a été complété par l’établissement du génome complet de deux micro-organismes : P. sclerotiorum SNB-CN111 et N. discophora SNB-CN63. Une voie de biosynthèse enzymatique aux azaphilones et aux ilicicolines a ainsi pu être proposée. Enfin, la connaissance du métabolome et/ou du génome des espèces spécifiquement étudiées a permis de mettre en place des méthodes OSMAC afin de générer de la diversité moléculaire. Ainsi, des azaphilones rouges, des azaphilones et ilicicolines bromées ou iodées, ou encore la surexpression de molécules analogues de la tyroschérine lors d’une confrontation entre P. boydii SNB-CN85 et un entomopathogène (Beauveria bassiana) ont été produites et annotées. En parallèle, des méthodes de chimie verte, basées sur le CO2 supercritique, ont été mises en place et développées pour extraire et analyser le métabolome de P. sclerotiorum. L’ensemble de ces travaux illustre comment une approche centrée autour de la métabolomique, et en particulier des réseaux moléculaires, permet de générer et d’annoter la diversité chimique en intégrant des méthodes complémentaires de microbiologie, génomique et chimie analytique.

Specialized metabolites constitute an important reservoir of high value-added molecules. Microorganisms are among the most prolific sources of antimicrobial compounds. However, in terms of antimicrobials research efforts, there are fewer and fewer discoveries of new chemical scaffolds, especially for Streptomyces the most studied genus of microorganisms. The termite-microorganisms association represents an original and neglected ecological niche. Previous works carried out in the ''Functional Chemistry - Chemical Ecology'' team at ICSN has shown that microorganisms associated with termites from French Guiana produce original antimicrobial molecules. The aim of the PhD thesis ''Integrative approach of the specialized metabolism of microorganisms associated with termites from French Guiana'' is to characterize the potentially antimicrobial molecules produced by 126 strains of microorganisms associated with termites, using molecular network approach. To this end, metabolomics strategies based on liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) allowing the generation of molecular networks by grouping molecules by structural family, will be applied. First, the taxonomic identifications of the strains from the ICSN strain collection were updated and completed thanks to a chemotaxonomic method exploiting protein profiles of microorganisms obtained by mass spectrometry. Then, 126 microorganism crude extracts were tested against 3 human pathogens (methicillin-resistant Staphylococcus aureus, Candida albicans and Tricophyton rubrum) and a healthy human cell line (MRC5) allowing to implement the molecular networks and leading to the selection of five microorganisms. Subsequently, metabolomes annotations of 3 species of filamentous fungi (Penicillium sclerotiorum SNB-CN111, Neonectria discophora SNB-CN63 and Pseudallescheria boydii SNB-CN71, -CN73, -CN81 and -CN85) were performed leading to in silico characterization of more than 100 metabolites. These annotation efforts were confirmed by the isolation and hemisynthesis of 14 azaphilone produced by P. sclerotiorum SNB-CN111, including 4 new ones. Metabolomic annotations were completed with the the establishment of the complete genome of two microorganisms, P. sclerotiorum SNB-CN111 and N. discophora SNB-CN63. An enzymatic biosynthetic pathway for azaphilones and ilicicolines has been proposed. Finally, metabolome and/or genome knowledge led to the implementation of of OSMAC methods to generate molecular diversity. Thus, red azaphilones pigments, brominated or iodinated azaphilones and ilicicolines and overexpression of tyroscherin analogs in a confrontation between P. boydii SNB-CN85 and an entomopathogen (Beauveria bassiana) were produced and annotated. In parallel, green chemistry methods, based on supercritical CO2 were set up to extract and analyze the metabolome of P. sclerotiorum. All these works illustrate how a metabolomics centered approach, especially molecular networks, allows generating and annotating chemical diversity by integrating complementary methods of microbiology, genomics and analytical chemistry.