Etude du microbiote sédimentaire cultivable aérobie et anaérobie - Capacité des isolats à produire et dégrader des substances polymériques extracellulaires et possible utilité en biotechnologie

Study of aerobic and anaerobic cultivable sedimentary microbiota - Capability of isolates to produce and degrade extracellular polymeric substances and possible use in biotechnology

• Auteur / Autrice : Yoann Fautras
• Direction : Sébastien Vilain
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Microbiologie - immunologie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie & de Biologie des Membranes & des Nano-objets
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Spectrométrie de masse des macromolécules biologiques.

Mots clés

Mots clés libres

Culturomique

Microbiote

Métaux

Substances Polymériques Extracellulaires

Biofilms

Sédiments

Metals

Culturomics

Microbiote

Sediments

Biofilms

Extracellular Polymeric Substances

Résumé

La thèse fait partie d'un vaste projet (ANR 'EXODIA') visant à analyser le contenu en Substances Polymériques Extracellulaires (EPS) de sédiments estuariens ainsi que leurs interactions avec les argiles et les métaux lors de la diagenèse (i.e. transformations du sédiment postérieures à son dépôt). EXODIA repose sur 3 hypothèses: (1) l'évolution des communautés microbiennes avec la profondeur modifie les EPS et impacte les cycles biogéochimiques, (2) les EPS sont impliqués dans le transfert des métaux de l'eau porale aux sédiments et catalysent les réactions diagénétiques et (3) la complexation des EPS aux minéraux durant la diagenèse favorise la préservation de biosignatures de communautés microbiennes fossiles. Les estuaires présentent des gradients physicochimiques et microbiologiques marqués [1-6]. Les EPS des biofilms estuariens sont produites principalement par des diatomées et des bactéries [7]. Ces EPS sont majoritairement composés de polysaccharides, de protéines, d'ADN extracellulaire; des molécules portant des groupes fonctionnels réactifs [8, 9] pouvant adhérer aux surfaces minérales [10], modifier les propriétés des sédiments [11] et adsorber de grandes quantités de métaux [12]. Les estuaires sont donc des environnements stratégiques de l'étude des interactions entre les EPS des biofilms, les sédiments, l'eau et les métaux. Les EPS sont généralement moins abondantes et réactives en profondeur, en raison de leur dégradation par des micro-organismes qui les utilisent comme source de carbone [13] et les métaux comme accepteurs potentiels d'électrons pour la respiration [14]. Cependant, les EPS se trouve parfois à des concentrations élevées à plusieurs mètres de profondeur, du fait d'une sédimentation rapide et de leur complexation à des minéraux argileux [15]. L'activité microbienne produit des gradients géochimiques verticaux marqués (O2, sulfures…) qui affecte la structure des EPS et donc la spéciation des métaux. Il est donc essentiel de déterminer le rôle des microorganismes estuariens dans la dégradation des EPS. Pour cela, il faut identifier les micro-organismes présents dans les sédiments en fonction de la profondeur et déterminer leur capacité à produire/dégrader les EPS. L'objectif de la thèse est d'isoler, de caractériser et d'identifier les micro-organismes cultivables impliqués dans le cycle des EPS des sédiments estuariens (diatomées, bactéries anaérobies et aérobies, archées), en particulier les souches produisant des EPS et/ou capables de les dégrader. Des carottes de sédiments seront prélevées dans les estuaires de la Gironde (France) et de la Guadiana (Portugal). Un maximum de micro-organismes provenant des carottes de 6 m de profondeur seront isolés par une stratégie culturomique reposant sur l'utilisation de 12 milieux de culture et 2 températures d'incubation, ainsi que des stratégies d'enrichissement pour sélectionner les souches dégradant les EPS et formant des biofilms. Après la constitution d'une banque de souches, chaque isolat sera cultivé en culture pure planctonique et sessile [16] et leur capacité à produire des EPS (caractère mucoïde), à former des biofilms et à produire des enzymes modifiant les EPS (ADNses, protéases, hydrolases, lyases) sera évaluée. La dégradation des EPS sera également suivie par microcalorimétrie isotherme en collaboration avec l'Université de Bâle (Suisse). De plus, les activités antibiose et antibiofilm des isolats contre des souches du groupe ESKAPE seront effectuées. Les informations relatives aux isolats seront répertoriées dans une base de données accessible au public. L'identification des isolats sera réalisée en première intention par spectrométrie de masse. Lorsque le MALDI ne permet pas une identification de l'espèce, le séquençage du génome sera effectué. En parallèle, l'identification génomique du microbiome dans les échantillons de sédiments sera réalisée. Cela nous permettra d'estimer la représentativité des isolats par rapport à la communauté totale.

This thesis is part of a larger project aiming to analyze the Extracellular Polymeric Substances (EPS) contents of sediments from modern and ancient estuaries (ANR “EXODIA”). EXODIA aims to better define the composition and function of EPS in modern and ancient estuaries, and their interaction with clay and metals through diagenesis and is based on 3 hypotheses: (1) Changes in microbial community with depth alter EPS properties and impact biogeochemical cycles in estuarine sediments; (2) EPS are involved in the transfer of metals from porewater to sediment and catalyze diagenetic reactions during sediment burial and; (3) The complexation of EPS to minerals through diagenesis favors the preservation of organic and mineral biosignatures of ancient estuarine microbial communities. Estuaries are highly productive environments with marked physicochemical and microbiological gradients [1-6]. Estuarine biofilms largely consist of EPS predominantly produced by diatoms and bacteria [7]. EPS are mainly composed of polysaccharides, proteins, extracellular DNA harboring reactive functional groups [8, 9] which can adhere to mineral surfaces [10], change sediment properties [11], and catch large quantity of metals [12]. Therefore, estuaries are strategic environments to study the interaction between biofilms (EPS), sediments, water and metals. EPS are typically less abundant and reactive with increasing sediment depth, owing to degradation by heterotrophic bacteria using EPS as a source of carbon [13] and metals as potential electron acceptor for respiration [14]. However, EPS can be found at high concentrations several meters deep in estuarine sediments, where their preservation may be enabled by rapid sedimentation and complexation with clay minerals [15]. Microbial activity produces sharp vertical geochemical gradients (e.g., O2, sulfides), affecting EPS structure and so metal speciation. So determine the role of estuarine microorganisms in EPS degradation is essential. To do, it is necessary to identify the microorganisms presents in sediment in function of the depth and be able to determine their ability to produce/degrade EPS. The aim of the thesis is to isolate, characterize and identify the cultivable microorganisms potentially involved in the estuarine sediment EPS cycle (diatoms; anaerobic and aerobic bacteria), in particular strains able to produce high quantities of EPS and/or able to degrade EPS. Sedimentary cores will be drilled in the Gironde and Guadiana estuaries. A maximum of microorganisms from the most representative sediment horizons on 6-meters deep cores will be isolated by a culturomics strategy relying on the use of 12 culture media and 2 temperatures of incubation as well as enrichment strategies for EPS-degrading and biofilm-forming strains. After isolation and constitution of a strain's library, each strain will be grown as planktonic and sessile pure culture (microplate or GW2S system [16]) and their ability to produce EPS (mucoid character), to form biofilms and to produce EPS-modifying enzymes (DNAses, proteases, hydrolases, lyases) will be assayed. EPS degradation will also be monitored using isothermal microcalorimetry in collaboration with the University of Basel (Switzerland). Moreover, antibiosis and antibiofilm activities of isolates against bacterial reference strains in biofilm research (Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa) will be carried out. All the information relative to the isolates will be listed in a publicly available database. The identification of isolates will be performed in first intention by mass spectrometry. When MALDI does not allow for clear species identification (e.g., for certain anaerobes), whole genome sequencing will be performed at the Plateforme Genome Transcriptome de Bordeaux. In parallel, genomic identification of the microbiome in sediment samples will be performed. This will allow us to estimate how isolates are representative of the global community.